"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Атомное ядро — компактная центральная часть атома, в которой сосредоточены протоны и нейтроны. Число протонов задаёт заряд ядра и определяет химический элемент, а вместе с числом нейтронов — массовое число. Ядерные силы удерживают нуклоны, а разница между массой свободных частиц и массой ядра связана с энергией связи. Эти понятия помогают описывать ядерные реакции, проверять их уравнения и понимать, откуда берётся энергия при превращениях ядер.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ядро атома — положительно заряженная центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Его заряд равен +Ze, где Z — число протонов, а e — элементарный заряд. Общее число протонов и нейтронов обозначают A и называют массовым числом. Эти обозначения позволяют кратко описывать состав ядра.
Нуклид — вид атомов с определёнными числами протонов и нейтронов. Ядро записывают как ᴬ_ZX: X — символ химического элемента, верхний индекс A — массовое число, нижний индекс Z — зарядовое число. По этой записи можно восстановить состав ядра и отличить его от других нуклидов того же элемента.
Дефект массы — разность между суммой масс свободных нуклонов и массой связанного ядра. Масса ядра меньше, потому что при его образовании часть энергии высвобождается, а энергии соответствует масса. Дефект массы показывает, насколько масса системы связана с её энергией связи.
Ядерная реакция — превращение атомных ядер при взаимодействии с частицами или друг с другом. В результате меняется состав ядер, а энергия может выделяться или поглощаться. Понятие реакции нужно, чтобы записывать такие превращения и проверять, какие частицы в них участвуют.
В ядре находятся протоны и нейтроны, а электроны располагаются вне него. Число протонов определяет положительный заряд ядра, поэтому оно совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе. Массовое число A получается сложением числа протонов и нейтронов: A = Z + N. Значит, зная A и Z, можно найти число нейтронов: N = A − Z.
Запись ᴬ_ZX содержит сразу две характеристики ядра: зарядовое число Z и массовое число A. Например, для ²³₁₁Na число протонов равно 11, а число всех нуклонов — 23; нейтронов будет 23 − 11 = 12. Изотопы — нуклиды одного элемента с одинаковым Z, но разным числом нейтронов. Они остаются одним элементом, потому что химическая принадлежность определяется зарядом ядра, а не числом нейтронов.
Протоны в ядре отталкиваются электрически, но ядро не распадается, поскольку нуклоны удерживают ядерные силы. Эти силы действуют на очень малых расстояниях: при достаточно близком расположении частиц притяжение становится сильным. Поэтому устойчивость ядра зависит от того, насколько эффективно это притяжение связывает нуклоны. На больших расстояниях ядерные силы не удерживают частицы вместе.
Сумма масс свободных протонов и нейтронов больше массы образовавшегося из них ядра; эту разность называют дефектом массы Δm. При связывании нуклонов энергия выделяется, и уменьшение массы связано с ней соотношением Eсв = Δmc². Энергия связи показывает, сколько энергии нужно затратить, чтобы разделить ядро на свободные нуклоны. Чем больше энергия связи, тем прочнее связаны частицы в ядре.
Ядерное превращение записывают уравнением: слева указывают исходные ядра и частицы, справа — продукты реакции. Массовое число и зарядовое число не исчезают при превращении, поэтому их суммы должны быть одинаковы по обе стороны стрелки. Это позволяет восстановить неизвестную частицу и проверить запись. Одной проверки по массовым числам недостаточно: необходимо отдельно сравнить и зарядовые числа.
| Величина | Обозначение в записи ядра | Что должно совпадать |
|---|---|---|
| Зарядовое число | Z — нижний индекс | Сумма зарядовых чисел слева и справа от стрелки |
| Массовое число | A — верхний индекс | Сумма массовых чисел слева и справа от стрелки |
Проверяйте реакцию по таблице отдельно для каждого столбца: сначала сложите A, затем Z. Если одно из равенств не выполняется, в записи пропущена или неверно указана частица. Такую проверку удобно проводить ещё до определения её названия.
Задача 1. Для ядра ²³₁₁Na определить число протонов, нейтронов и нуклонов. Сначала считываем индексы: A = 23 и Z = 11. Число нейтронов находим как разность A − Z.
Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов, 23 нуклона. Проверка: 11 + 12 = 23, то есть число нуклонов совпадает с A.
Задача 2. Дополнить реакцию ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ? и определить недостающую частицу. В реакции должны сохраниться сумма массовых чисел и сумма зарядовых чисел. Неизвестную частицу обозначим ᴬ_ZX и найдём оба индекса из баланса.
Ответ: ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H. Обе суммы сохранены: массовых чисел — 18, зарядовых — 9.
Задача 3. Вычислить энергию связи ядра, если заданы массы протонов, нейтронов и ядра. Численные значения в условии позволяют найти сумму масс свободных нуклонов; затем эту сумму сравнивают с массой ядра. Полученную разность переводят в подходящие единицы и подставляют в формулу энергии.
Ответ: энергия связи равна найденному значению Δm, умноженному на c². Без численных масс из условия можно записать способ расчёта, но нельзя получить численный результат.
Ошибка: считать массовое число A массой ядра в атомных единицах. A — целое число нуклонов, а фактическая масса ядра не обязана совпадать с ним: она отличается из-за дефекта массы. Ошибку допускают, потому что слова «массовое число» звучат как указание на массу. Проверьте себя: A получают подсчётом протонов и нейтронов, а массу измеряют отдельно.
Ошибка: путать массовое число A и зарядовое число Z, например находить число нейтронов как A + Z. Такое происходит, если забыть, что A уже включает и протоны, и нейтроны. Для проверки используйте равенство A = Z + N, откуда N = A − Z. Подстановка найденных чисел обратно должна дать исходное A.
Ошибка: считать изотопы разными химическими элементами. Число нейтронов у них различается, но число протонов одинаково, поэтому зарядовое число Z и название элемента сохраняются. Путаницу вызывает то, что изотопы имеют разные массовые числа. Сверьте нижний индекс: одинаковый Z означает один элемент.
Ошибка: проверять уравнение ядерной реакции только по массовым числам. Равенство A не гарантирует, что сохраняется заряд: для реакции необходимо проверить и суммы Z. После подсчёта верхних индексов отдельно сложите нижние индексы слева и справа. Если хотя бы одна пара сумм не совпадает, уравнение записано неверно.
Для разбора ядер нужно знать состав атома, свойства протона и нейтрона и смысл порядкового номера элемента. Энергия связи связывает ядерную физику с законом эквивалентности массы и энергии E = mc²: дефект массы соответствует энергии. Состав ядер и правила записи реакций понадобятся при изучении радиоактивности, деления и синтеза ядер. Эти темы рассматривают разные способы превращения и изменения ядер.
Почему масса ядра меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов?
При образовании связанного ядра часть энергии высвобождается. По соотношению E = mc² этой энергии соответствует уменьшение массы системы: масса ядра оказывается меньше суммы масс свободных нуклонов. Разность называют дефектом массы.
Чем массовое число отличается от относительной атомной массы?
Массовое число A — целое число протонов и нейтронов в конкретном ядре. Относительная атомная масса элемента обычно не целая: это среднее значение для смеси его природных изотопов с учётом их распространённости.
Как быстро определить число нейтронов в ядре?
Найдите в записи ядра массовое число A и зарядовое число Z. Число нейтронов равно A − Z, потому что A складывается из протонов и нейтронов, а Z показывает число протонов.
Почему изотопы принадлежат одному химическому элементу?
У изотопов одинаковое число протонов, то есть одинаковое зарядовое число Z. Поэтому у них один и тот же заряд ядра и они принадлежат одному элементу, хотя число нейтронов и массовое число могут различаться.
Какие величины нужно сохранять при составлении уравнения ядерной реакции?
Суммы массовых чисел A и зарядовых чисел Z слева и справа от стрелки должны совпадать. По этим двум условиям можно проверить уравнение или найти неизвестную частицу.
§ 29. Ядро атома. Ядерные реакц
