§ 25. Атомное ядро

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов и несущая положительный заряд. Почти вся масса атома сосредоточена именно в ядре, хотя его размеры очень малы по сравнению с размером атома. Состав ядра помогает определить свойства атома и его принадлежность к химическому элементу.

Протон — частица с положительным элементарным зарядом +e, входящая в состав ядра. Число протонов показывает, насколько положительно заряжено ядро. По этому числу определяют, какой химический элемент представлен атомом.

Нейтрон — частица, не имеющая электрического заряда и входящая в состав атомного ядра. Он увеличивает массу ядра, но не изменяет его электрический заряд. Разное число нейтронов объясняет существование изотопов одного элемента.

Нуклон — общее название для протона или нейтрона. Такое слово удобно использовать, когда говорят о частицах ядра вместе, не разделяя их по заряду. Общее число нуклонов в ядре задаёт его массовое число.

Как это устроено

Каждый протон имеет заряд +e, поэтому заряд ядра равен сумме зарядов всех протонов. Если протонов Z, то заряд ядра равен +Ze. Число Z не меняется случайно: оно однозначно соответствует определённому химическому элементу, например Z = 8 означает кислород.

Массовое число A показывает, сколько всего нуклонов находится в ядре. Оно складывается из числа протонов Z и числа нейтронов N: A = Z + N. Поэтому неизвестное число нейтронов находят так: N = A − Z, а не вычитанием в обратном порядке.

Ядро обозначают записью ᵃ_zX. Символ X — это химический символ элемента, нижний индекс Z показывает число протонов, а верхний индекс A — общее число протонов и нейтронов. Зная A и Z, можно сразу восстановить состав ядра: протонов Z, нейтронов A − Z.

У атомов одного элемента число протонов одинаково, иначе это был бы уже другой элемент. При этом нейтронов может быть больше или меньше, потому что они не влияют на заряд ядра. Такие разновидности атомов называют изотопами; у них одинаковое Z, но разные N и A.

Протоны положительно заряжены и электрически отталкиваются друг от друга. Однако на очень малых расстояниях между нуклонами действуют сильные ядерные силы, которые притягивают их и удерживают ядро вместе. В устойчивом ядре это притяжение компенсирует стремление протонов разойтись.

Частицы, входящие в состав атомного ядра

В таблице заряд сравнивается с элементарным зарядом e, а масса — с массой протона. Обе частицы имеют примерно одинаковую относительную массу, поэтому массовое число можно считать количеством нуклонов. Обозначения p и n используют, чтобы кратко записывать состав ядра.

Разбор задач

Задача 1

Ядро атома кислорода имеет A = 16 и Z = 8. Нужно определить число протонов и нейтронов. Для этого используем смысл обоих чисел, а не только название элемента.

1. Число протонов равно зарядовому числу: Z = 8.
2. Число нейтронов находим по формуле N = A − Z.
3. Подставляем значения: N = 16 − 8 = 8.

Ответ: в ядре кислорода 8 протонов и 8 нейтронов. Всего в нём 16 нуклонов.

Задача 2

В ядре натрия находятся 11 протонов и 12 нейтронов. Сначала нужно определить массовое число, сложив количество всех нуклонов. Затем подставить символ натрия и число протонов в запись ядра.

1. Находим массовое число: A = 11 + 12 = 23.
2. Зарядовое число равно числу протонов: Z = 11.
3. Символ натрия — Na, поэтому записываем верхний индекс 23 и нижний индекс 11.

Ответ: обозначение ядра — ²³₁₁Na. Число 23 показывает общее количество протонов и нейтронов, а 11 — количество протонов.

Задача 3

Даны ядра ²³₁₁Na и ²⁴₁₁Na. У них одинаковый нижний индекс, но различаются верхние индексы, поэтому нужно сравнить не только массовые числа, но и число нейтронов.

1. В обоих ядрах Z = 11, значит, в каждом по 11 протонов.
2. Для первого ядра N = 23 − 11 = 12, для второго N = 24 − 11 = 13.
3. Одинаковое число протонов означает один элемент, а различие числа нейтронов — разные изотопы.

Ответ: ²³₁₁Na содержит 11 протонов и 12 нейтронов, а ²⁴₁₁Na — 11 протонов и 13 нейтронов. Это изотопы натрия.

Типичные ошибки

Иногда массовое число A принимают за число нейтронов. Ошибка возникает потому, что нейтроны действительно вносят вклад в массу ядра, но протоны тоже входят в A. Проверь себя формулой A = Z + N: если из A уже вычтено Z, только тогда получено N.

Некоторые вычисляют число нейтронов как Z − A. При таком порядке для обычного ядра получится отрицательное число, что сразу показывает ошибку. Всегда записывай сначала формулу N = A − Z и только потом подставляй значения.

Изотопам иногда приписывают разное число протонов. Но изменение числа протонов превращает ядро в другой химический элемент, потому что именно Z определяет элемент. Чтобы проверить себя, сравни нижние индексы: у изотопов они одинаковы, а верхние индексы различаются.

Заряд ядра путают с зарядом всего атома. Ядро положительно заряжено из-за протонов, а нейтральный атом имеет столько же электронов с отрицательным зарядом, сколько протонов в ядре. Поэтому при проверке нужно уточнить, о ядре или обо всём атоме идёт речь.

Связь с другими темами

Для понимания строения ядра нужны знания о строении атома, электрическом заряде и символах химических элементов. Электроны образуют внешнюю часть атома, а протоны и нейтроны находятся в ядре. Сравнение их зарядов помогает отличать заряд ядра от заряда нейтрального атома.

Состав ядра и понятие изотопов понадобятся при изучении радиоактивности и ядерных превращений. В таких процессах меняется состав ядра, поэтому важно уметь находить числа протонов и нейтронов. Запись A и Z позволяет кратко описывать исходное и изменившееся ядро.

Что запомнить

• Ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протон имеет положительный заряд, нейтрон электрически нейтрален.
• Протоны и нейтроны называют нуклонами.
• Число протонов в ядре равно зарядовому числу Z.
• Массовое число A равно сумме числа протонов и нейтронов.
• Число нейтронов равно A − Z.
• Изотопы одного элемента имеют одинаковое число протонов и разное число нейтронов.