(называемых общим термином «нуклоны ») в ядре. Обычно обозначается буквой A . Массовое число близко к атомной массе изотопа , выраженной в атомных единицах массы , но совпадает с ней только для углерода-12 , поскольку атомная единица массы (а. е. м.) определяется сейчас как 1 ⁄ 12 массы атома 12 С. Во всех остальных случаях атомная масса не является целым числом, в отличие от массового числа. Так, массовое число изотопа хлора 35 Cl равно 35, а его атомная масса составляет 34,96885 а.е.м.
Массовое число в обозначении конкретного нуклида (вида атомных ядер) пишется верхним левым индексом, например 232 Th . Нуклиды с одинаковым массовым числом называются изобарами (например, изобарами являются нуклиды 14 C и 14 N).
Знание массового числа позволяет оценить массу ядра и атома. Если известно массовое число, то масса М атома и его ядра оценивается из следующего соотношения М ≈ А·m N , где m N ≈ 1,67·10 −27 кг - масса нуклона, то есть протона или нейтрона. Например, в состав атома алюминия-27 и его ядра входит 27 нуклонов (13 протонов и 14 нейтронов). Его масса примерно равна 27·1,67·10 −27 кг ≈ 4,5·10 −26 кг. Если необходимо получить массу ядра с большей точностью, то нужно учесть, что нуклоны в ядре связаны силами ядерного притяжения, и поэтому в соответствии с соотношением E = mc 2 масса ядра уменьшается. В массу атома также следует добавить суммарную массу электронов на орбитах вокруг ядра. Однако все эти поправки не превышают 1 %.
| 238 92 U | → | 234 90 Th | + | 4 2 He |
в левой части массовое число начального ядра равно 238, в правой части реакции - два ядра с массовыми числами 234 и 4, что в сумме даёт 238. С учётом того, что массовое число альфа-частицы (ядра гелия-4) равно 4, альфа-распад снижает массовое число распадающегося ядра на 4 единицы. Любые типы бета-распада (бета-минус-распад , позитронный распад , электронный захват , все типы двойного бета-распада) не изменяют массовое число, поскольку в этом процессе происходит лишь превращение некоторых нуклонов ядра из одного вида в другой (протонов в нейтроны или обратно). Изомерный переход также не изменяет массовое число ядра.
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 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.
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.
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
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.
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:
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.
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.
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 (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.
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.
Как известно в настоящее время общепринятой является планетарная модель атома , по которой атом представляет собой ядро, обладающее положительным зарядом, вокруг которого на довольно большом по сравнению с размерами ядра расстоянии вращаются отрицательно заряженные электроны.
Исследования показали, что ядро атома – это не единое цельное образование, оно состоит из более мелких частиц. Когда-то полагали, что эти частицы – только положительно заряженные протоны. Однако, в первой половине ХХ века сначала теоретически, а потом и практически было открыто существование нейтронов, которые наряду с протонами входят в состав ядра.
При этом нейтроны не обладают электрическим зарядом, они нейтральны, а также нейтроны обладают немного большей массой, чем протоны. В большинстве случаев этой разницей пренебрегают и считают их массу примерно равной.
Итак, в состав атомного ядра входят протоны и нейтроны (История открытия протона и нейтрона). И те и другие называются нуклонами (от лат. nucleus - ядро). Таким образом, можно сказать, что ядра атомов состоят из нуклонов. Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой A.
Массовое число, соответственно, характеризует массу атома. Так как масса протонов и нейтронов практически равна, поэтому приняли среднее значение массы нуклона, примерно равное 1 а.е.м. (атомной единице массы ). A численно равно массе атома, выраженной в а.е.м.
Число протонов в ядре называют зарядовым числом и обозначают буквой Z. Массовое число и зарядовое число каждого химического элемента ставится перед буквенным обозначением элемента. То есть ядра любых элементов можно обозначить так: (Z^A)X. Причем массовое число всегда ставят сверху, а зарядовое – снизу.
Например: (7^14)N – азот, (26^56)Fe – железо, (92^235)U – уран. Соответственно массовое число и масса ядра азота: A = 14, m ≈ 14 а.е.м., железа: A = 56, m ≈ 56 а.е.м., урана: A = 235, m ≈ 235 а.е.м., зарядовое число азота: Z = 7, железа: Z = 26, урана: Z = 92.
Заряд любого протона равен одному зарядовому числу, а также одному элементарному электрическому заряду. Следовательно, зарядовое число Z, которое отображает количество протонов в ядре, численно равно положительному заряду ядра, который в данном случае выражен в элементарных зарядовых единицах.
Буквой N обозначают число нейтронов в ядре. Не следует путать число нейтронов с химическим символом азота, который тоже обозначается латинской буквой N, но без наклона. Число нейтронов не добавляют в обозначение химического элемента, однако его можно легко высчитать. Массовое число A - это общее число нуклонов ядра, поэтому A= Z+ N. Следовательно, число нейтронов N=A-Z.
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?
.jpg)
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.
