Массовое число - это суммарное число протонов и нейтронов в ядре атома. Оно обозначается символом А.

Говоря о конкретном атомном ядре, обычно употребляют термин нуклид, а ядерные частицы протоны и нейтроны - в совокупности называют нуклонами.

Атомный номер.

Атомный номер элемента совпадает с числом протонов в ядре его атома. Он обозначается символом Z. Атомный номер связан с массовым числом следующим соотношением:

где N - число нейтронов в ядре атома.

Каждый химический элемент характеризуется определенным атомным номером. Другими словами, никакие два элемента не могут иметь одинаковый атомный номер. Атомный номер равен не только числу протонов в ядре атомов данного элемента, но также равен числу электронов, окружающих ядро атома. Это объясняется тем, что атом в целом представляет собой электрически нейтральную частицу. Таким образом, число протонов в ядре атома равно числу электронов, окружающих ядро. Это утверждение не относится к ионам, которые, разумеется, представляют собой заряженные частицы.

Первое экспериментальное обоснование атомных номеров элементов получил в 1913 г. Генри Мозли, работавший в Оксфорде. Он бомбардировал твердые металлические мишени катодными лучами. (В 1909 г. Баркла и Кайи уже показали, что любой твердый элемент при бомбардировке быстрым пучком катодных лучей испускает рентгеновские лучи, характеристические для данного элемента.) Мозли анализировал характеристическое рентгеновское излучение, пользуясь фотографической методикой регистрации. Он обнаружил, что длина волны характеристического рентгеновского излучения увеличивается с возрастанием атомного веса (массы) металла и показал, что квадратный корень из частоты этого рентгеновского излучения прямо пропорционален некоторому целому числу, которое он обозначил символом

Мозли установил, что это число приблизительно совпадает с половиной значения атомной массы. Он пришел к выводу, что это число - атомный номер элемента - является фундаментальным свойством его атомов. Оно оказалось равно числу протонов в атоме данного элемента. Таким образом, Мозли связал частоту характеристического рентгеновского излучения с порядковым номером излучающего элемента (закон Мозли). Этот закон имел большое значение для утверждения периодического закона химических элементов и установления физического смысла атомного номера элементов.

Исследование Мозли позволило ему предсказать существование трех недостававших к тому времени в периодической таблице элементов с атомными номерами 43, 61 и 75. Эти элементы были обнаружены позже и получили названия технеций, прометий и рений соответственно.

Мозли погиб в боях первой мировой войны.

Символы нуклидов.

Массовое число нуклида принято указывать в виде верхнего индекса, а атомный номер в виде нижнего индекса слева от символа элемента. Например, запись означает, что этот нуклид углерода (как и все другие нуклиды углерода) имеет атомный номер 6. Данный конкретный нуклид имеет массовое число 12. Другому нуклиду углерода отвечает символ Поскольку все нуклиды углерода имеют атомный номер 6, указанный нуклид часто записывают просто как или углерод-14.

Изотопы.

Изотопами называются различные по свойствам атомные разновидности одного элемента. Они различаются числом нейтронов в их ядре. Таким образом, изотопы одного элемента имеют одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. В табл. 1.1 приведены значения массового числа А, атомного номера Z и числа нейтронов N в ядре атомов каждого из трех изотопов углерода.

Таблица 1.1. Изотопы углерода

Изотопное содержание элементов.

В большинстве случаев каждый элемент представляет собой смесь различных изотопов. Содержание каждого изотопа в такой смеси называется изотопным содержанием. Например, кремний обнаруживается в соединениях, которые встречаются в природе, с таким естественным изотопным содержанием: . Обратите внимание, что суммарное изотопное содержание элемента должно составлять в точности 100%. Относительное изотопное содержание каждого из указанных изотопов составляет соответственно 0,9228, 0,0467 и 0,0305. Сумма этих чисел составляет в точности 1,0000.

Атомная единица массы (а.е.м.).

В настоящее время в качестве стандарта для определения атомной единицы массы принимается масса нуклида Этому нуклиду приписывается масса 12,0000 а.е.м. Таким образом, атомная единица массы равна одной двенадцатой части массы этого нуклида. Истинное значение атомной единицы массы составляет кг. Три фундаментальные частицы, являющиеся составными частями атома, имеют следующие массы:

масса протона = 1,007277 а.е.м.

масса нейтрона = 1,008 665 а.е.м.

масса электрона = 0,000 548 6 а. е. м.

Пользуясь этими значениями, можно вычислить изотопную массу каждого конкретного нуклида. Например, изотопная масса нуклида представляет собой сумму масс 17 протонов, 18 нейтронов и 17 электронов:

Однако точные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что изотопная масса имеет значение 34,968 85 а. е. м. Расхождение между вычисленным и экспериментально найденным значениями составляет Оно называется дефектом массы, причина возникновения дефекта массы объясняется в разд. 1.3.

В шкале относительных атомных масс изотопные массы представляют как результат их деления на одну двенадцатую часть массы нуклида . Таким образом, относительная изотопная масса изотопа равна

Обратите внимание, что относительные изотопные массы выражаются в безразмерных единицах.

Относительная атомная масса АТ химического элемента представляет собой арифметическое среднее из относительных изотопных масс с учетом изотопного содержания. Она вычисляется суммированием произведений относительной изотопной массы каждого изотопа и его относительного содержания.

Вычислим относительную атомную массу хлора по следующим данным:

1846. Сколько электронов вращается вокруг ядра в нейтральном атоме:
а) углерода, б) серебра, в) урана?

1847. Каков заряд (в элементарных зарядах е) ядер атомов кислорода!gO, калия JgK и меди ggCu? Найдите массу (в а.е.м.) ядер атомов этих же элементов.

1848. Масса ядра атома какого элемента меньше: магния 12 Mg или водорода jH? Во сколько раз?

1849. Каково массовое число ядра атома азота ^N? Какова масса ядра в а.е.м. (с точностью до целых чисел)?

1850. Каково зарядовое число ядра атома азота ^N? Каков заряд ядра (в элементарных зарядах е)?

1851. Определите число электронов в атоме брома з°Вг. Чему равен (в элементарных зарядах е) суммарный заряд всех электронов?

1852. Сколько нуклонов входит в состав ядра атома бора!!?В? олова XgQВ? полония 2™Ро?

1853. Сколько протонов и нейтронов содержит ядро атома:
а) гелия IНе;
б) алюминия 13 А1;
в) фосфора 15 Р? 

1854. Для нейтрального атома лития gLi определите

1855. Для нейтрального атома фтора определите число нуклонов, протонов, нейтронов и электронов.

1856. Определите число нуклонов, протонов, нейтронов и электронов, содержащихся в нейтральном атоме неона 20 Ne lOi’NC.

1857. Для нейтрального атома цинка ^Zn определите число нуклонов, протонов, нейтронов и электронов.

1858. Определите число протонов, нейтронов, электронов и нуклонов в нейтральных атомах: ^О; ^О; ^О? Чем отличаются эти атомы? Что в них общего?

1859. Запишите реакцию естественного радиоактивного распада радия 2ggRa, при котором испускается а-частица. Найдите образующийся при этом химический элемент.

1860. Запишите реакцию радиоактивного распада изотопа свинца 2^РЬ С испусканием р-частицы. Во что при этом превращается ядро изотопа свинца?

1861. Запишите реакцию радиоактивного распада плутония, в результате которого 2g®Pu превращается в уран 235 т т 92 U *

1862. Запишите реакцию радиоактивного распада натрия, в результате которого 22 Na превращается в магний

1863. Найдите неизвестные элементы в следующих реакциях радиоактивного распада:
zX^2°!Pb+>;

1864. Ядро атома криптона ^Кг шесть раз испытало радиоактивный (3-распад. Какое ядро получилось в результате? Запишите реакции.

1865. Ядро атома ксенона ^JXe превращается в стабильное ядро атома церия ^gCe. Сколько электронов при этом испускается? Запишите эти реакции. 

1866. Как меняется массовое число элемента при испускании ядром у-кванта? Изменяются ли при этом масса ядра и порядковый номер элемента?

Что такое массовое число атомного ядра? Массовое число численно равно сумме нейтронов и протонов ядра. Его обозначают буквой А. Понятие "массовое число" появилось в связи с тем, что масса ядра обусловлена числом ядерных частиц. Как связаны между собой масса ядра и количество частиц? Давайте выяснять.

Строение атома

Любой атом состоит из ядра и электронов. Кроме атома водорода, так как он имеет всего один электрон. Ядро заряжено положительно. Отрицательный заряд несут электроны. Заряд каждого электрона принят за -1. Атом в целом электронейтрален, то есть не имеет заряда. Это значит, что количество частиц, несущих отрицательный заряд, то есть электронов, равно положительному заряду ядра. Например, в атоме кислорода заряд ядра +8 и электронов 8, в атоме кальция заряд ядра +20, электронов 20.

Строение ядра

Ядро состоит из двух видов частиц - протонов и нейтронов. Протоны заряжены положительно, нейтроны не имеют заряда. Таким образом, заряд ядру дают протоны. Заряд каждого протона принят за +1. То есть, сколько протонов содержится в ядре, такой и будет заряд всего ядра. К примеру, в ядре углерода 6 протонов, заряд ядра +6.

В периодической системе элементов Менделеева все элементы расположены в порядке увеличения именно заряда ядра. У водорода заряд ядра +1, он расположен первым; у гелия +2, он второй в таблице; у лития +3, он третий и так далее. То есть заряд ядра соответствует порядковому (атомному) номеру элемента в таблице.

В целом любой атом электронейтрален. Это значит, что количество электронов равно заряду ядра, то есть количеству протонов. А поскольку количество протонов определяет атомный номер элемента, то зная этот атомный номер, мы, таким образом, знаем и количество электронов, и количество протонов, и заряд ядра.

Масса атома

Масса атома (М) определяется массой составных частей, то есть электронов и ядра. Электроны очень легкие по сравнению с ядром и почти не вносят вклада в массу всего атома. То есть масса атома обусловлена массой ядра. Что такое массовое число? Масса ядра определяется числом частиц, входящих в его состав, - протонов и нейтронов. Таким образом, массовое число - это масса ядра, выраженная не в единицах измерения массы (граммы), а в количестве частиц. Конечно, абсолютная масса ядер (m), выраженная в граммах, известна. Но это очень маленькие числа, выражаемые в отрицательных степенях. Например, масса атома углерода m (C) = 1,99 ∙ 10 -23 г. Пользоваться такими числами неудобно. И если нет необходимости в абсолютных значениях массы, а нужно просто сравнить массы элементов или частиц, то пользуются относительными массами атомов (A r), выраженными в а.е.м. Относительная масса атома указана в таблице Менделеева, например, у азота 14,007. Относительная масса атома, округленная до целого числа, и есть массовое число ядра элемента (A). Массовые числа такие, что ими удобно пользоваться - это всегда целые числа: 1, 2, 3 и так далее. Например, у азота - 14, у углерода - 12. Их записывают верхним левым индексом, к примеру, 14 N или 12 C.

Когда нужно знать массовое число?

Зная массовое число (A) и атомный номер элемента в периодической системе (Z), можно определить число нейтронов. Для этого нужно вычесть из массового числа протоны.

Зная массовое число, можно вычислить массу ядра или всего атома. Поскольку масса ядра обусловлена массой частиц, входящих в его состав, то она равна произведению количества этих частиц и массы этих частиц, то есть произведению массы нейтрона и массового числа. Масса нейтрона равна массе протона, в целом их обозначают как масса нуклона (ядерная частица).

К примеру, рассчитаем массу атома алюминия. Как видно из периодической системы элементов Менделеева, относительная атомная масса алюминия равна 26,992. Округлив, получаем массовое число ядра алюминия 27. То есть его ядро состоит из 27 частиц. Масса одной частицы - постоянная величина, равная 1,67 ∙ 10 -24 г. Тогда, масса ядра алюминия равна: 27 ∙ 1,67 ∙ 10 -24 г = 4,5 ∙ 10 -23 г.

Что такое массовое число ядер элементов нужно знать при составлении реакций радиоактивного распада или ядерных реакций. Например, при урана 235 U, захватившего один нейтрон 1 n, образуются ядра бария 141 Ba и криптона 92 Kr, а также три свободных нейтрона 1 n. При составлении таких реакций пользуются правилом: сумма массовых чисел в правой и левой частях уравнения не меняется. 235+1 = 92+141+3.

Вопросы.

1. Как называются протоны и нейтроны вместе?

Протоны и нейтроны вместе называются нуклоны.

2. Что называется массовым числом и какой буквой оно обозначается?

Массовым числом А называется количество нуклонов в ядре.

3. Что можно сказать о числовом значении массы атома (в а.е.м.) и его массовом числе?

Массовое число равно массе ядра m выраженной в а.е.м., округленной до целых чисел.

4. Как называется и какой буквой обозначается число протонов в ядре?

Число протонов в ядре называется зарядовым числом Z.

5. Что можно сказать о зарядовом числе, заряде ядра (выраженном в элементарных электрических зарядах) и порядковом номере в таблице Д. И. Менделеева для любого химического элемента?

Зарядовое число равно заряду ядра выраженному в элементарных электрических зарядах и порядковому номеру в таблице Д.И.Менделеева.

6. Как в общем виде принято обозначать ядро любого химического элемента?

7. Какой буквой обозначают число нейтронов в ядре?

Число нейтронов в ядре обозначается N.

8. Какой формулой связаны между собой массовое число, зарядовое число и число нейтронов в ядре?

9. Как с точки зрения протонно нейтронной модели ядра объясняется существование ядер с одинаковыми зарядами и различными массами?

Это объясняется тем, что в таких ядрах находится одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, такие разновидности химических элементов называются изотопами.

Упражнения.

1. Сколько нуклонов в ядре атома бериллия 94Be? Сколько в нем протонов? нейтронов?

2. Для атома калия 39 19 K определите: а) зарядовое число; б) число протонов; в) заряд ядра (в элементарных электрических зарядах); г) число электронов; д) порядковый номер в таблице Д. И. Менделеева; е) массовое число ядра; ж) число нуклонов; а) число нейтронов; и) массу ядра (в а. е. м. с точностью до целых чисел).

3. Определите с помощью таблицы Д. И. Менделеева, атом какого химического элемента имеет: а) 3 протона в ядре; б) 9 электронов.

4. При α-распаде исходное ядро, излучая α-частицу 4 2 He, превращается в ядро атома другого химического элемента. Например, На сколько клеток и в какую сторону (к началу или к концу таблицы Д. И. Менделеева) смещен образовавшийся элемент но отношению к исходному? Перепишите в тетрадь данное ниже правило смещения для α-распада, заполнив пропуски: при α-распаде одного химического элемента образуется другой элемент, который расположен в таблице Д. И. Менделеева на... клетки ближе к ее чем исходный.

Образовавшийся элемент смещен на две клетки к началу таблицы.
При α - распаде одного химического элемента образуется другой элемент, который расположен в таблице Д.И.Менделеева на две клетки ближе к её началу чем исходный.

5. При β-распаде исходного ядра один из входящих в это ядро нейтронов превращается в протон, электрон 0 -1 e и антинейтрино 0 0 v (частицу, легко проходящую сквозь земной шар и, возможно, не имеющую массы). Электрон и антинейтрино вылетают из ядра, а протон остается в ядре, увеличивая его заряд на единицу. Например, Перепишите данное ниже правило смещения для β-распада, заполнив пропуски нужными словами: при β-распаде одного химического элемента образуется другой элемент, который расположен в таблице Д. И. Менделеева на... клетку ближе к... таблицы, чем исходный.

Образовавшийся элемент смещен на одну клетку к концу таблицы.
При β - распаде одного химического элемента образуется другой элемент, который расположен в таблице Д.И.Менделеева на одну клетку ближе к её концу чем исходный.

Исследование атомных ядер началось после установления следующих экспериментальных фактов: 1) открытие в 1896 году французским учёным Анри Беккерелем естественной радиоактивности; 2) открытие в 1910 году английским учёным Содди изотопии химических элементов; 3) ядерная модель атома, предложенная в 1911 году великим английским физиком Эрнестом Резерфордом.

Резерфорд, исследуя радиоактивность, пришел в 1908 году к выводу, что при радиоактивном распаде происходит превращение атомов одних химических элементов в атомы других элементов. Позже, исследуя прохождение a-частиц с энергией в несколько мегаэлектрон-вольт через тонкие пленки золота, Резерфорд открыл ядерную модель атома, после чего стало ясно, что при радиоактивности имеет место превращение ядер одних элементов в ядра других элементов.

Открытие изотопии сыграло следующую роль. Атомные веса, т.е. массы атомов химически чистых элементов, как правило, выражаются в а.е.м. числами, не очень близкими к целым. Например, атомный вес бора (В) – 10,82; Ne – 20,183; Cl – 35,457; Fe -56,85 ;… . С открытием изотопии утвердилось мнение, согласно которому химически чистый элемент представляет собой смесь изотопов, отличающихся друг от друга атомными весами. Атомные веса изотопов оказались ближе к целым числам, чем атомные веса элементов, причём тем ближе, чем легче изотоп, т.е. чем меньше его атомный вес. Это навело ученых на мысль, что ядро состоит из частиц, атомные веса которых близки к единице. Этому условию хорошо удовлетворяет ядро атома водорода – протон, атомный вес которого близок к единице (1,008). Кроме того, так как заряд протона положителен, то напрашивалась идея, что в состав ядра обязательно должны входить протоны. Другие составные частицы ядра пришлось выяснять довольно долго. Явление естественной β-активности, казалось, свидетельствовало о том, что в состав ядра входят электроны. Поэтому была предложена протонно-электронная модель ядра. Однако протонно-электронная модель оказалась несостоятельной. По этой модели спин ядра, составленного из чётного числа протонов и электронов, должен быть целым (спин протона, как и спин электрона равен ½ ħ), а на практике наблюдаются и полуцелые числа. Модель не объясняла, почему магнитный момент ядра в 2000 раз меньше магнитного момента электрона. Наконец, протонно-электронная модель оказалась в противоречии с принципом Гейзенберга. Зная размеры ядра, можно оценить величину импульса электрона, входящего в состав ядра, а следовательно, и величину его энергии. Такие оценки дают, что энергия электрона в ядре около 200 Мэв. Согласно эксперименту, энергия связи одной частицы в ядре 7 – 8 Мэв. Кроме того, энергия в 200 Мэв во много раз превышает энергию электронов, испускаемых ядром при β-распаде.

Выход из затруднения был найден после того, как в 1932 году сотрудник Резерфорда, Чадвик, открыл новую элементарную частицу – нейтрон. Масса нейтрона примерно равна массе протона, чуть превышая её, а электрический заряд равен 0. Вскоре после открытия нейтрона, в 1934 году, советским физиком Д.Д.Иваненко была высказана гипотеза о протонно-нейтронном строении ядра. Эта же гипотеза была независимо высказана Гейзенбергом.

В настоящее время протонно-нейтронная структура ядра является общепризнанной и лежит в основе современных представлений о ядре и всей ядерной физики.

По современным данным протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду электрода q p = 1,6 . 10 -19 Кл и массу покоя m p = (1,0075957 ± ±0,000001) а.е.м. = (1836,09±0,01) m e .

Нейтрон (n) - нейтральная частица с массой покоя m n = (1,008982 ± ±0,000003)а.е.м. = (1838,63 ± 0,01) m e , где 1а.е.м.= 1,667 . 10 -27 кг – 1/12 массы атома С 12 ;

m e = 9,106 . 10 -31 кг – масса покоя электрона.

В современной физике считается, что протон и нейтрон – два зарядовых состояния одной и той же частицы, которая называются нуклоном (от лат. nucleus - ядро). Итак, протон – протонное состояние нуклона, нейтрон – нейтронное состояние нуклона. Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом А.

Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где Z - зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в периодической, системе элементов Менделеева. Известные в настоящее время 107 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа ядер от Z =1 до Z = 107. Так как Z равно числу протонов в ядре, то число нейтронов в ядре равно: N = A – Z. В ядерной физике принято ядро обозначать тем же символом, что и нейтральный атом: , где Х - символ

химического элемента, Z - атомный номер (число протонов в ядре), А- массовое число (число нуклонов в ядре).

Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет в число электронов в атоме. От числа же электронов зависит их распределение по состояниям в атоме, от которого, в свою очередь, зависят химические свойства атома. Следовательно, заряд ядра определяет специфику данного химического элемента, т. е. определяет число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутри­атомного электрического поля.

Ядра с одинаковыми Z, но разными А (т. с. с разными числами нейтронов) называются изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z изобарами. Например, водород (Z = 1) имеет три изотопа; - протий (Z =1, N = 0) ; - дейтерий, (Z =1, N = 1); - тритий (Z =1, N = 2).В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют изотопы водорода), определяющимися в основном структурой электронных оболочек, которая является одинаковой для всех изотопов данного элемента.

Примером ядер-изобар могут служить ядра: , , . В настоящее время известно более 2500 ядер, отличающихся либо Z, либо A , либо тем и другим.

Резерфорд показал, что атомные ядра имеют размеры примерно 10 -14 - 10 -15 м (для сравнения, линейные размеры атома примерно 10-10 м). Радиус ядра - задается эмпирической формулой R = R 0 A 1/3 , где R 0 = (1,3÷1,7)10 -15 м. Однако при употреблении этого понятия необходимо соблюдать осторожность из-за его неоднозначности, например из-за размытости границы ядра. Объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер: ρ » 10 17 кг/м 3 .