Ядерное строение атома
Модель атома Резерфорда показала, что почти вся масса атома и весь его положительный заряд сосредоточены в очень маленьком центральном образовании — ядре. В этой теме разберём состав ядра, связь между числами \(Z\), \(A\) и \(N\), изотопы и стандартное обозначение ядер.
Атомное ядро и нуклоны
Атомное ядро — положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся масса атома. Размер ядра имеет порядок \(10^{-15}\) м, тогда как размер атома — примерно \(10^{-10}\) м. Поэтому ядро во много раз меньше атома, хотя содержит почти всю его массу.
Ядро состоит из двух видов частиц: протонов и нейтронов. Эти частицы называют нуклонами. Протон имеет положительный элементарный заряд \(+e\), а нейтрон электрически нейтрален. Массы протона и нейтрона примерно одинаковы и значительно больше массы электрона.
Нуклоны — общее название протонов и нейтронов, входящих в состав атомного ядра. Число протонов определяет химический элемент, а число нейтронов может изменяться у атомов одного элемента.
Протоны и нейтроны удерживаются в ядре ядерными силами. На небольших расстояниях эти силы очень сильны и преодолевают электрическое отталкивание протонов. Подробнее свойства ядерных сил рассматриваются отдельно.
Число заряда и массовое число
Число заряда ядра \(Z\) равно числу протонов в ядре. Оно совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической таблице. Если атом нейтрален, число электронов вокруг ядра также равно \(Z\).
Массовое число \(A\) равно общему числу нуклонов, то есть сумме протонов и нейтронов. Поэтому число нейтронов можно найти как разность \(A\) и \(Z\).
Заряд ядра равен произведению числа протонов на элементарный заряд: \(q=Ze\). Масса ядра приблизительно равна \(A\) массам одного нуклона, но точное значение меньше суммы масс свободных нуклонов из-за дефекта массы и энергии связи. Это подробно изучается на странице дефект массы.
Для ядра с числами \(Z\), \(A\) и \(N\): \(Z\) — число протонов, \(N\) — число нейтронов, \(A\) — число всех нуклонов; всегда выполняется \(A=Z+N\).
Обозначение ядер
Ядро химического элемента обозначают символом элемента с двумя индексами: массовое число пишут слева сверху, а число заряда — слева снизу:
Здесь \(X\) — химический символ элемента, \(A\) — число протонов и нейтронов, \(Z\) — число протонов. Например, запись \({}^{23}_{11}\mathrm{Na}\) означает ядро натрия: в нём \(11\) протонов и \(23-11=12\) нейтронов.
| Запись | Протоны \(Z\) | Нейтроны \(N\) | Нуклоны \(A\) |
|---|---|---|---|
| \({}^{1}_{1}\mathrm{H}\) | 1 | 0 | 1 |
| \({}^{4}_{2}\mathrm{He}\) | 2 | 2 | 4 |
| \({}^{12}_{6}\mathrm{C}\) | 6 | 6 | 12 |
| \({}^{238}_{92}\mathrm{U}\) | 92 | 146 | 238 |
Сколько нейтронов содержит ядро \({}^{27}_{13}\mathrm{Al}\)?
Изотопы
Изотопы — разновидности атомов одного химического элемента, имеющие одинаковое число протонов \(Z\), но разное число нейтронов \(N\). Поэтому у изотопов одинаковый порядковый номер и одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа \(A\).
Например, \({}^{12}_{6}\mathrm{C}\), \({}^{13}_{6}\mathrm{C}\) и \({}^{14}_{6}\mathrm{C}\) — изотопы углерода. Во всех ядрах по 6 протонов, но соответственно 6, 7 и 8 нейтронов. Химические свойства изотопов близки, поскольку определяются в основном электронной оболочкой, однако масса и ядерные свойства могут различаться.
Не следует называть изотопами ядра с одинаковым \(A\) и разными \(Z\): это разные химические элементы. Для изотопов обязательно одинаково \(Z\) и различно \(N\) или \(A\).
Разобранный пример: определение состава ядра
Определите заряд ядра, число протонов и нейтронов в атоме \({}^{40}_{18}\mathrm{Ar}\).
Ответ: ядро содержит 18 протонов и 22 нейтрона; его заряд равен \(+18e\), или примерно \(2{,}88\cdot10^{-18}\) Кл. У нейтрального атома аргона вокруг ядра находятся 18 электронов.
Сначала найдите \(Z\) и \(A\) в записи \({}^{A}_{Z}X\). Затем запишите \(N=A-Z\). Если спрашивают заряд ядра, используйте \(q=Ze\); если число электронов нейтрального атома — \(N_e=Z\).
Связь с последующими темами
Состав и обозначение ядер нужны для изучения радиоактивности и ядерных реакций. В реакциях сохраняются зарядовое и массовое числа: сумма \(Z\) слева равна сумме \(Z\) справа, и так же для \(A\). Электронные оболочки и происхождение спектров изучаются в теме спектрального анализа.
Быстрая проверка
Главное
- Ядро состоит из протонов и нейтронов; вместе они называются нуклонами.
- \(Z\) — число протонов и порядковый номер элемента; заряд ядра равен \(q=Ze\).
- \(A\) — число всех нуклонов, \(A=Z+N\); число нейтронов \(N=A-Z\).
- Ядро записывают как \({}^{A}_{Z}X\).
- Изотопы имеют одинаковое \(Z\), но различаются числом нейтронов и массовым числом.