ЕГЭ
КАРТОЧКИ
ТЕСТЫ
ОБРАЧАТ
Атомное ядро и ядерные силы
Протонно-нейтронная модель ядра. Изотопы и изобары. Ядерные силы
В предыдущих уроках мы познакомились с явлением радиоактивности — способностью некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц. Изучение $\alpha$-, $\beta$- и $\gamma$-распадов (рисунок 1) привело ученых к выводам, что атомное ядро обладает сложным внутренним строением. Для его исследования потребовались новые экспериментальные методы.
Так, в начале XX века были созданы специальные приборы для регистрации и наблюдения частиц (рисунок 2). В 1908 году был создан счетчик Гейгера. Этот детектор позволяет обнаруживать радиоактивное излучение и фиксировать прохождение ионизирующих частиц через него. Немного позже была создана камера Вильсона. С ее помощью стало возможным наблюдать траектории заряженных частиц (треки) и изучать их взаимодействие с веществом.
Применение этих устройств привело к важнейшим открытиям в ядерной физике. Так в ходе опытов были открыты протон и нейтрон. То есть было установлено строение атомного ядра.
На данном уроке мы закрепим знания о строении атомных ядер на основе протонно-нейтронной модели и повторим понятия массового и зарядового чисел. Далее мы познакомимся с разновидностями атомных ядер — изотопами и изобарами, а также узнаем, какие силы удерживают нуклоны внутри ядра.
Протонно-нейтронная модель атомного ядра
В 1919 году Эрнест Резерфорд обнаруживает протон. Спустя время его ученик Джеймс Чедвик в 1932 году открывает нейтрон. Теперь ученые знают, из чего состоит атомное ядро. Поэтому в том же 1932 году советский физик Дмитрий Иваненко и немецкий физик Вернер Гейзенберг независимо друг от друга предлагают протонно-нейтронную модель строения ядер (рисунок 3). Согласно этой модели, ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов. Эти частицы объединяют под общим названием нуклоны.
Впоследствии справедливость протонно-нейтронной модели была подтверждена экспериментально. Эта модель используется в ядерной физике и в настоящее время. Она позволяет правильно описывать основные свойства атомных ядер. Например, их массу, заряд, а также характер ядерных превращений и реакций. Именно в рамках этой модели вводятся понятия массового и зарядового чисел, изотопов и изобар.
Вы уже знаете, что на более глубоком уровне протоны и нейтроны имеют внутреннюю структуру (рисунок 4). Но для описания большинства ядерных явлений они могут рассматриваться как основные составные части ядра. Поэтому протонно-нейтронная модель до сих пор широко используется в ядерной физике и прикладных областях.
Массовое и зарядовое числа
Как вы уже знаете, для описания строения атомных ядер и различий между ними в ядерной физике используют специальные числовые характеристики. Они позволяют определить состав ядра, его заряд, массу и место соответствующего элемента в периодической таблице (рисунок 5). К таким характеристикам относятся зарядовое число и массовое число.
В общем виде ядро любого химического элемента записывается как $^A_Z\text{X}$, где
- $A$ — массовое число,
- $Z$ — зарядовое число,
- $X$ — символ химического элемента.
Так, ядро атома бериллия записывается как $^9_4\text{Be}$, бора — $^{11}_5\text{B}$, углерода — $^{12}_6\text{C}$, азота — $^{14}_7\text{N}$ (рисунок 6).
Зарядовое число
Зарядовое число — это число протонов в ядре.
Оно обозначается буквой $Z$.
Каждый протон обладает положительным элементарным электрическим зарядом: $q_p = +1e$. Поэтому зарядовое число также определяет электрический заряд ядра.
Зарядовое число $Z$ равно заряду ядра, выраженному в элементарных электрических зарядах.
Также количество протонов в ядре определяет сам химический элемент. Поэтому зарядовое число связано с положением элемента в периодической таблице Менделеева.
Для каждого химического элемента зарядовое число равно атомному (порядковому) номеру в периодической таблице.
Например, для азота $^{14}_7\text{N}$ зарядовое число $Z$ равно $7$. Для железа $^{56}_{26}\text{Fe}$ оно равно $26$, а зарядовое число цезия $^{133}_{55}\text{Cs}$ равно $55$.
Рассмотрим, например, уран $^{238}_{92}\text{U}$ с зарядовым числом $Z = 92$ (рисунок 7):
- в ядре атома урана находится $92$ протона,
- его ядро обладает электрическим зарядом $+92e$ (можно использовать форму записи $+92$),
- химический элемент уран находится в периодической таблице под номером $92$.
Массовое число
Протоны обладают положительным электрическим зарядом, а нейтроны электрически нейтральны (рисунок 8). Массы протона и нейтрона близки по величине и примерно равны одной атомной единице массы — $1 \space а. \space е. \space м.$ Поэтому масса атомного ядра в атомных единицах массы приблизительно равна числу нуклонов в нем.
Массовое число — это общее число нуклонов в ядре.
Массовое число обозначается буквой $A$.
Например, для ядра атома азота $^{14}_7\text{N}$ массовое число равно $14$. Для железа $^{56}_{26}\text{Fe}$ массовое число равно $56$, а массовое число цезия $^{133}_{55}\text{Cs}$ равно $133$. Это означает, что ядра этих атомов содержат соответственно $14$, $56$ и $133$ нуклона.
Массовое число $A$ численно равно массе ядра, выраженной в атомных единицах массы и округленной до целых чисел.
Для полного понимания снова взглянем на клетку урана ($A = 238$) в периодической таблице (рисунок 9).
- В ядре атома урана содержится $238$ нуклонов (протонов и нейтронов).
- Масса ядра урана приблизительно равна $238 \space а. \space е. \space м.$
Итак, массовое число $A$ дает нам информацию о количестве нуклонов в ядре, зарядовое число $Z$ — о количестве протонов. Обозначив число нейтронов в ядре как $N$, мы можем записать следующую формулу.
$A = Z \space + \space N$
Так, используя $A$ и $Z$ из периодической таблицы, всегда можно легко и быстро определить количество нейтронов в ядре: $N = A \space − \space Z$.
Для примера рассмотрим ядро атома азота $^{14}_7\text{N}$ (рисунок 10).
- Ядро атома азота состоит из $14$ нуклонов ($A = 14$).
- Из них — $7$ протонов ($Z = 7$).
- Тогда количество нейтронов в этом ядре: $N = A \space − \space Z = 14 \space − \space 7 = 7$.
Нуклиды
Для описания атомных ядер в ядерной физике часто используют понятие нуклида.
Нуклид — это вид атомного ядра, который определяется строго определенным массовым числом $A$ и зарядовым числом $Z$.
Другими словами, нуклид — это атомное ядро с определенным числом протонов и нейтронов в нем. Например, ядра атома азота $^{14}_{7}\text{N}$ и $^{15}_{7}\text{N}$ относятся к разным нуклидам. Они имеют одинаковое зарядовое число, но различную атомную массу.
Понятие нуклида используется потому, что в природе и в научных лабораториях существуют тысячи различных сочетаний протонов и нейтронов (рисунок 11). Для того чтобы их различать, недостаточно указывать только химический элемент. Именно нуклид, а не химический элемент, является основной «единицей» в ядерной физике.
Среди нуклидов мы выделим две группы с особыми свойствами: изотопы и изобары.
Изотопы
Протонно-нейтронная модель ядра позволила ученым объяснить некоторые экспериментальные данные об атомах. Например, так была установлена природа изотопов.
Дело в том, что атомы одного и того же химического элемента могут иметь различную массу.
- Так как почти вся масса сосредоточена в ядре, мы говорим что такие атомы имеют различные по массе ядра.
- Такие атомы одинаково вступают в химические реакции и образуют одинаковые соединения.
- Ядра таких атомов имеют одинаковое зарядовое число. То есть такие ядра занимают одну и ту же клетку в периодической таблице.
Отсюда и произошло название всех разновидностей одного химического элемента. Их назвали изотопами: от греческих слов «isos» — одинаковый и «topos» — место.
Изотопы — это разновидности данного химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер.
Сами изотопы были открыты в 1913 году. И только после создания протонно-нейтронной модели в 1932 году ученые объяснили, почему эти ядра обладают разными массами. Стало очевидно, что ядра изотопов содержат одинаковое число протонов, но разное количество нейтронов.
Так, атомы неона всегда имеют зарядовое число $Z = 10$. Ведь в ядре любого атома неона всегда содержится 10 протонов. А вот массовое число $A$ может быть равно и $20$, и $21$, и $22$. Это три стабильных изотопа неона, встречающиеся в природе. Они различаются только числом содержащихся в них нейтронов.
Атомная масса ядра неона, которая указана в периодической таблице (рисунок 12), представляет собой среднее значение масс всех его изотопов с учетом их распространенности в природе.
А изотопы неона встречаются в природе в разных количествах (рисунок 13). Поэтому его атомная масса в таблице не является целым числом. Она равна примерно $20.18 \space а. \space е. \space м.$ Это справедливо для всех известных химических элементов.
Таким образом, различие между массовым числом конкретного ядра и атомной массой, указанной в таблице, объясняется существованием у химических элементов нескольких изотопов и их различной долей в природе.
Изотопы атома водорода
Из всех известных на сегодняшний день изотопов только изотопы водорода имеют названия (таблица 1).
| Символ нуклида | Название нуклида | $Z$ (число протонов) | $N$ (число нейтронов) |
|---|---|---|---|
| $^1_1\text{H}$ | Протий | $1$ | $0$ |
| $^2_1\text{H}$ | Дейтерий | $1$ | $1$ |
| $^3_1\text{H}$ | Тритий | $1$ | $2$ |
| $^4_1\text{H}$ | Квадий | $1$ | $3$ |
| $^5_1\text{H}$ | Пентий | $1$ | $4$ |
| $^6_1\text{H}$ | Гексий | $1$ | $5$ |
| $^7_1\text{H}$ | Септий | $1$ | $6$ |
- Ядро протия состоит из одного протона и не содержит нейтронов. Этот изотоп водорода является самым распространенным в природе.
- Дейтерий иногда называют «тяжелой водой». В его ядре содержится один протон и один нейтрон.
- В ядре трития — один протон и два нейтрона.
- В лабораториях получены изотопы водорода и с большим числом нейтронов: тремя, четырьмя, пятью и даже шестью. Несмотря на различия в составе ядра и массе, все эти атомы относятся к одному и тому же химическому элементу — водороду (рисунок 14).
Стабильные и нестабильные изотопы
Изотопы могут быть стабильными и нестабильными.
Стабильные изотопы являются устойчивыми. Они могут существовать неограниченно долго. А с их ядрами не происходит никаких самопроизвольных превращений. Именно такие изотопы в основном и встречаются в природе и определяют массу химического элемента, указанную в периодической таблице.
Нестабильные изотопы имеют неустойчивые ядра. Со временем они самопроизвольно превращаются в ядра других элементов или их изотопов. При этом испускается $\alpha$-, $\beta$- и/или $\gamma$-излучение. Поэтому такие изотопы называют радиоактивными.
У многих химических элементов существуют как стабильные, так и нестабильные изотопы. Например, в природе встречаются два стабильных изотопа водорода — протий $^1_1\text{H}$ и дейтерий $^2\text{H}$. Тритий $^3_1\text{H}$ тоже встречается в природе, но является радиоактивным. Его ядро со временем самопроизвольно распадается (рисунок 15).
Другие изотопы водорода были получены в лабораторных условиях. Они оказались крайне неустойчивыми: существуют очень короткое время. Это говорит о том, что взаимодействие нуклонов играет определенную роль в устойчивости атомных ядер.
Изобары
Также существуют атомы с одинаковыми атомными массами, но принадлежащие разным химическим элементам. Их ядра назвали изобарами: от греческого «isos» — одинаковый и «baros» — вес.
Изобары — это нуклиды разных химических элементов, имеющие одинаковое массовое число $A$.
В изобарах содержится одинаковое количество нуклонов. Поэтому они и обладают приблизительно равными атомными массами. При этом количество протонов и нейтронов у них разное.
Например, нуклиды $^{36}_{16}\text{S}$, $^{36}_{17}\text{Cl}$ и $^{36}_{18}\text{Ar}$ являются изобарами. Во всех этих ядрах массовое число $A$ одинаково и равно $36$. А вот зарядовые числа $Z$ различны, так как это разные химические элементы (рисунок 16).
Ядерные силы
Мы уже сказали о том, что протонно-нейтронная модель атома была подтверждена экспериментально. Тем не менее, у ученых остался вопрос: почему атомные ядра не распадаются на отдельные нуклоны? Ведь между положительно заряженными протонами действуют силы электростатического отталкивания (рисунок 17).
При этом расчеты показали, что нуклоны не могут удерживаться за счет сил притяжения гравитационной природы (рисунок 18). Эти силы намного меньше электростатических сил отталкивания между протонами.
Тем не менее ядра являются устойчивыми. Это означает, что внутри них действуют еще какие-то другие силы притяжения, удерживающие нуклоны вместе. Эти силы должны значительно превосходить электростатические силы отталкивания между протонами. Выдвинув такую гипотезу, ученые назвали эти силы ядерными.
Гипотеза оказалась верной. Оказалось, что ядерные силы действуют между всеми нуклонами независимо от их электрического заряда. Это силы притяжения, и они являются короткодействующими (рисунок 19). На расстояниях, сравнимых с размерами атомного ядра ($10^{−15} \space м$), ядерные силы примерно в $100$ раз больше сил электростатического отталкивания. Поэтому их иногда называют проявлением сильного взаимодействия.
Ядерные силы — это силы, действующие между нуклонами в ядре и обеспечивающие устойчивость атомных ядер.
Но при увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы быстро ослабевают. Так, уже на расстоянии $10^{−14} \space м$ они оказываются настолько ничтожно малыми, что ими можно пренебречь.
Ядерные силы действуют на расстояниях, сравнимых с размерами атомных ядер.
Именно действие ядерных сил обеспечивает устойчивость атомных ядер и возможность существования различных химических элементов и их изотопов.
Упражнения
Упражнение № 1
Сколько нуклонов в ядре атома бериллия $^9_4\text{Be}$? Сколько в нем протонов; нейтронов?
Посмотреть решение и ответ
Скрыть
Решение:
Массовое число атома бериллия: $A = 9$. Оно равно количеству нуклонов в ядре. Значит, в атоме $^9_4\text{Be}$ содержится $9$ нуклонов.
Количество протонов определяет зарядовое число $Z$. Для атома бериллия оно равно $4$. Значит, в нем содержится $4$ протона.
Зная общее число нуклонов и число протонов в ядре, мы можем найти число нейтронов:
$N = A \space − \space Z$,
$N = 9 \space − \space 4 = 5$.
Ответ: в ядре атома бериллия $^9_4\text{Be}$ находится $9$ нуклонов: $4$ протона и $5$ нейтронов.
Упражнение № 2
Для атома калия $^{39}_{19}\text{K}$ определите: зарядовое число, число протонов, порядковый номер в периодической таблице, число нуклонов, число нейтронов.
Посмотреть ответ
Скрыть
Ответ:
Зарядовое число: $Z = 19$.
Число протонов равно зарядовому числу $Z$: $19$.
Порядковый номер равен зарядовому числу $Z$: $19$.
Число нуклонов определяется массовым числом: $A = 39$.
Число нейтронов: $N = A \space − \space Z$,
$N = 39 \space − \space 19 = 20$.
Упражнение № 3
Определите с помощью периодической таблицы (рисунок 19), атом какого химического элемента имеет: а) $3$ протона в ядре; б) $9$ электронов.
Посмотреть ответ
Скрыть
Ответ:
а) Количество протонов в ядре равно зарядовому числу $Z$ и порядковому номеру в периодической таблице. Под номером $3$ в таблице находится литий ($Li$).
б) Атом в целом электрически нейтрален. Поэтому количество электронов будет равно количеству протонов.
Количество протонов — это и есть зарядовое число: $Z = 9$. Оно же является и порядковым номером элемента в периодической таблице. Под номером $9$ находится фтор ($F$).
Часто задаваемые вопросы
Протоны и нейтроны называются нуклонами.
Массовое число — это общее количество нуклонов в ядре. Оно численно равно массе ядра, выраженной в атомных единицах массы и округленной до целых чисел.
Зарядовое число равно заряду ядра, выраженному в элементарных электрических зарядах. Оно определяет количество протонов и равно атомному номеру данного химического элемента в периодической таблице.
Массовое число $A$ равно сумме зарядового числа $Z$ и числа нейтронов в ядре $N$: $A = Z \space + \space N$.
Ядра с одинаковыми зарядами и различными массами содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.
Нуклидом называют вид атомного ядра, который определяется строго определенным массовым числом $A$ и зарядовым числом $Z$.
Изотопами называются разновидности данного химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер.
Изобарами называют нуклиды разных химических элементов, имеющие одинаковое массовое число $A$.
Силы притяжения между нуклонами в ядре называются ядерными. Они действуют на расстояниях, сравнимых с размерами самих ядер.
5
5
1
5
Получите полный доступ ко всем материалам и занимайтесь в удобном темпе — без ограничений.
- Более 700 000 учеников и 50 000 учителей по всей России.
- Повышение среднего балла по предмету до 20 % после месяца занятий.
- Всплеск интереса к учебе и более глубокое понимание предметов.
Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:
- Отслеживайте прогресс освоения тем
- Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
- Проводите работу над ошибками после занятий
Хотите оставить комментарий?
Войти