Состав атомного ядра
Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточены почти вся масса и положительный заряд атома. Ядро состоит из протонов и нейтронов; вместе эти частицы называют нуклонами.
Из чего состоит ядро
Атомное ядро имеет очень малые размеры, примерно \(10^{-15}\)–\(10^{-14}\ \text{м}\). Оно состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Протон и нейтрон имеют почти одинаковые массы, поэтому основная масса ядра определяется числом нуклонов.
Нуклонный состав ядра — это число протонов \(Z\) и число нейтронов \(N\), из которых состоит ядро. Общее число нуклонов обозначают буквой \(A\) и называют массовым числом.
Протон несёт элементарный положительный заряд \(+e\), а нейтрон заряда не имеет. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов: \(N_e=Z\). Поэтому заряд атомного ядра определяется только протонами.
Зарядовое число \(Z\) равно числу протонов в ядре и однозначно определяет химический элемент. Если изменить \(Z\), получится уже другое химическое вещество.
Ядерный символ и его чтение
Ядро обозначают символом химического элемента с двумя индексами: массовое число \(A\) записывают слева сверху, а зарядовое число \(Z\) — слева снизу:
Здесь \(X\) — символ элемента, \(A\) — число протонов и нейтронов, \(Z\) — число протонов. Число нейтронов находят вычитанием:
Например, жазба \({}^{23}_{11}\mathrm{Na}\) означает ядро натрия: в нём \(Z=11\) протонов, \(A=23\) нуклона, а нейтронов \(N=23-11=12\). Если в условии дано только название элемента, его \(Z\) определяют по периодической системе, а затем используют указанное массовое число.
Нижний индекс \(Z\) показывает протоны, верхний индекс \(A\) — все нуклоны. Нейтроны всегда вычисляются как \(N=A-Z\).
Изотопы и устойчивость состава
Изотопы — это атомы бір химического элемента с одинаковым числом протонов \(Z\), но разным числом нейтронов \(N\). Поэтому у изотопов одинаковый заряд ядра и одинаковое место в периодической системе, но разные массовые числа \(A\).
| Изотоп | Протоны \(Z\) | Нейтроны \(N\) | Нуклоны \(A\) |
|---|---|---|---|
| \({}^{12}_{6}\mathrm{C}\) | 6 | 6 | 12 |
| \({}^{13}_{6}\mathrm{C}\) | 6 | 7 | 13 |
| \({}^{14}_{6}\mathrm{C}\) | 6 | 8 | 14 |
У лёгких устойчивых ядер числа протонов и нейтронов обычно близки. В тяжёлых ядрах нейтронов больше: дополнительные нейтроны усиливают ядерное притяжение, не увеличивая электрическое отталкивание протонов. Если соотношение протонов и нейтронов оказывается неблагоприятным, ядро может быть радиоактивным.
Нуклид — разновидность атомных ядер с определёнными значениями \(Z\) и \(A\). Его можно однозначно задать записью \({}^{A}_{Z}X\).
Не следует путать изотопы с ядерными изомерами. Изотопы отличаются составом ядра, а изомеры имеют одинаковые \(Z\) и \(A\), но находятся в разных энергетических состояниях.
Сколько нейтронов содержит ядро \({}^{31}_{15}\mathrm{P}\)?
Как решать тапсырма на состав ядра
В экзаменационных заданиях могут попросить найти число протонов, нейтронов, электронов или определить элемент по ядерному символу. Сначала выпишите \(A\) и \(Z\), затем примените связь \(A=Z+N\). Для нейтрального атома число электронов равно \(Z\); для иона число электронов может отличаться, но состав ядра при этом не меняется.
Определим состав ядра \({}^{40}_{18}\mathrm{Ar}\) и число электронов в нейтральном атоме аргона.
Жауабы: ядро содержит 18 протонов и 22 нейтрона; нейтральный атом содержит 18 электронов.
Если известны число протонов \(Z\) и нейтронов \(N\), сначала найдите \(A=Z+N\), затем определите элемент по \(Z\) и запишите символ \({}^{A}_{Z}X\).
Например, при \(Z=8\) и \(N=9\) получаем \(A=17\). Элемент с \(Z=8\) — кислород, поэтому жазба ядра: \({}^{17}_{8}\mathrm{O}\).
Связь с массой и зарядом ядра
Масса ядра приблизительно равна сумме масс его нуклонов. В школьных расчётах часто используют массовое число как число нуклонов, а не как точную массу в килограммах. Точная масса ядра меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов: разность связана с энергией связи ядра.
Заряд ядра равен \(Ze\). Например, для ядра углерода с \(Z=6\) заряд равен \(+6e\), а для ядра урана с \(Z=92\) — \(+92e\). Нейтроны не влияют на заряд ядра, но влияют на его массу и ядерные свойства.
1. Принимают \(A\) за число нейтронов: правильно \(A\) — это число всех нуклонов. 2. Находят нейтроны как \(Z-A\): нужно \(N=A-Z\). 3. Полагают, что изотопы имеют разное \(Z\): у изотопов \(Z\) одинаково, различается \(N\). 4. Путают заряд ядра с зарядом атома: нейтральный атом имеет суммарный заряд ноль, но ядро заряжено положительно. 5. Забывают, что символ элемента определяется нижним индексом \(Z\), а не верхним \(A\).
Проверь себя
Кратко
- Ядро состоит из протонов и нейтронов — нуклонов.
- \(Z\) — число протонов и зарядовое число; \(A\) — число всех нуклонов.
- Число нейтронов находят по формуле \(N=A-Z\).
- Ядерный символ записывают как \({}^{A}_{Z}X\).
- Изотопы имеют одинаковое \(Z\), но разные \(N\) и \(A\).
- Заряд ядра равен \(+Ze\), а нейтральный атом содержит \(Z\) электронов.