§ 8. Изменения в составе ядер атомов химических элементов. Изотопы

Определения и обозначения

Протон — положительно заряженная частица, входящая в состав ядра. Число протонов определяет заряд ядра и порядковый номер элемента в Периодической таблице. По нему можно понять, атом какого элемента перед нами.

Нейтрон — электрически нейтральная частица ядра, то есть у неё нет заряда. Вместе с протонами нейтроны составляют основную массу атома. Их число нужно учитывать, чтобы описать состав ядра и вычислить массовое число.

Массовое число обозначают буквой A и определяют как общее число протонов и нейтронов в ядре. Оно показывает, сколько частиц-нуклонов содержит ядро; нуклонами называют протоны и нейтроны. Зная A и число протонов, можно найти число нейтронов.

Изотопы — атомы одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Поэтому у них разные массовые числа, хотя порядковый номер и заряд ядра совпадают. Это понятие помогает различать разновидности атомов одного элемента.

Как это устроено

В центре атома находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а вокруг него располагается электронная оболочка. Протоны несут положительный заряд, нейтроны заряда не имеют, а электроны оболочки — отрицательный заряд. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, потому что масса электронов очень мала по сравнению с массой протонов и нейтронов. Поэтому состав ядра позволяет описать и заряд атома, и почти всю его массу.

Если изменить число протонов в ядре, изменится его положительный заряд. Вместе с зарядом изменится и порядковый номер Z, который однозначно указывает элемент в Периодической таблице. Например, ядро с 6 протонами принадлежит углероду, а с 7 — азоту. Значит, добавление или удаление протона превращает атом в атом другого химического элемента.

Число нейтронов может меняться, не затрагивая количество протонов. Тогда сохраняются заряд ядра и порядковый номер, а химический элемент остаётся тем же. Но меняется общее количество частиц в ядре, а значит, меняется массовое число. Так появляются изотопы одного элемента: их ядра имеют одинаковый заряд, но различную массу.

Нуклид записывают символом химического элемента с двумя числами слева: массовое число A ставят сверху, а зарядовое число Z — снизу. Например, в записи ²³₁₁Na число 23 означает общее число протонов и нейтронов, а 11 — число протонов. Число нейтронов находят вычитанием: N = A − Z. Для натрия-23 это 23 − 11 = 12 нейтронов.

Сравним два изотопа углерода: ¹²₆C и ¹⁴₆C. В обоих ядрах по 6 протонов, поэтому зарядовое число одинаково и оба атома относятся к углероду. В первом ядре 12 − 6 = 6 нейтронов, а во втором 14 − 6 = 8. Различие числа нейтронов объясняет разницу массовых чисел, не меняя химический элемент.

Состав ядра и обозначение изотопа

Таблица помогает связать обозначения A и Z с частицами в ядре. Для подсчёта нейтронов используй A − Z, а при сравнении изотопов сначала проверь число протонов. Если Z одинаково, а A различается, различается и число нейтронов.

Разбор задач

Задача 1. Для атома натрия с массовым числом 23 определите число протонов и нейтронов. Порядковый номер натрия — 11.

1. Число протонов равно порядковому номеру, поэтому Z = 11.
2. Массовое число A = 23 включает протоны и нейтроны. Вычитаем число протонов: N = A − Z = 23 − 11 = 12.
3. Проверяем: 11 протонов + 12 нейтронов дают 23 частицы в ядре.

Ответ: 11 протонов и 12 нейтронов.

Задача 2. Запишите обозначение атома хлора, в ядре которого 17 протонов и 20 нейтронов, и укажите его массовое число.

1. Зарядовое число Z равно числу протонов, значит, Z = 17. Элемент с порядковым номером 17 — хлор, его символ Cl.
2. Массовое число складывается из числа протонов и нейтронов: A = 17 + 20 = 37.
3. В записи нуклида ставим 37 слева сверху от символа, а 17 — слева снизу.

Ответ: ³⁷₁₇Cl; массовое число равно 37.

Задача 3. Даны атомы углерода ¹²₆C и ¹⁴₆C. Определите число протонов и нейтронов в каждом и объясните, почему это изотопы одного элемента.

1. У обеих записей нижнее число одинаковое: Z = 6. Значит, в ядре каждого атома по 6 протонов, и оба атома — углерод.
2. Для ¹²₆C находим N = 12 − 6 = 6. Для ¹⁴₆C получаем N = 14 − 6 = 8.
3. Число протонов одинаково, а число нейтронов различается. Следовательно, это изотопы одного элемента с массовыми числами 12 и 14.

Ответ: у ¹²₆C — 6 протонов и 6 нейтронов; у ¹⁴₆C — 6 протонов и 8 нейтронов. Это изотопы углерода, поскольку число протонов совпадает.

Типичные ошибки

Ошибка — считать массовое число количеством нейтронов. Так можно подумать, потому что нейтроны не имеют заряда, но A включает и протоны, и нейтроны. Для проверки сложи их числа: сумма должна равняться A.

Не путай массовое число A с порядковым номером Z. Эти обозначения оба относятся к ядру, поэтому их легко смешать: Z показывает число протонов, а A — общее число протонов и нейтронов. Проверь смысл числа по записи: Z стоит снизу, A — сверху.

Атомы с разным числом протонов нельзя называть изотопами одного элемента. Такая ошибка возникает, если сравнивать только массу или символы, не проверяя зарядовое число. Сначала сравни Z: разные значения означают разные химические элементы.

Число нейтронов находят не сложением A и Z и не вычитанием в обратном порядке. Ошибка появляется, если забыть, что A уже включает Z протонов. Используй N = A − Z и проверь результат: число нейтронов не может быть отрицательным, а N + Z должно дать A.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о строении атома, заряде ядра и порядковом номере элемента в Периодической таблице. Нужно также узнавать символы элементов и понимать, что нейтральный атом содержит столько же электронов, сколько протонов. Эти знания помогают связать запись нуклида с конкретным элементом.

Изотопы понадобятся при изучении относительной атомной массы: природный элемент может быть смесью атомов разных изотопов. Состав ядер важен и для темы ядерных реакций, где ядра могут превращаться и менять состав. С радиоактивностью связаны изотопы, ядра которых способны самопроизвольно изменяться.

Что запомнить

• Ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Число протонов равно порядковому номеру элемента Z.
• Массовое число A равно сумме протонов и нейтронов.
• Число нейтронов находят по формуле N = A − Z.
• Изотопы имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.
• При изменении числа протонов атом относится к другому химическому элементу.