Ядро атома. Изотопы

Современные представления о строении атома зародились в начале нашего столетия в результате исследования природы катодных лучей (Дж. Томсон, 1897), открытия радиоактивности (А. Беккерель, М. Склодовская-Кюри, П. Кюри, 1896-1899), расшифровки спектров излучения раскаленных тел, а также опытов Э. Резерфорда (1911) по исследованию прохождения -частиц через металлическую фольгу.

Гипотеза Резерфорда о планетарном строении атома явилась фундаментом, на котором методами квантовой, а позднее  волновой механики строятся и уточняются модели атомов. Основная масса атома (более 99,9 %) сосредоточена в его ядре, размер которого порядка 10^-15 м и на 5 порядков (10⁵) меньше размера самого атома (10^-10 м).

Ядро имеет сложную структуру. Основные ядерные частицы  нуклоны  это протоны p и нейтроны n. Протон имеет положительный электрический заряд, равный единице, нейтрон  электронейтрален, т. е. его заряд равен нулю. Их массы покоя равны соответственно 1,00812 и 1,00893 у. е. Масса нуклона почти в 2000 раз больше массы электрона. Частицы, входящие в состав ядер и промежуточные по массе между нуклонами и электронами, называют мезонами.

Образование прочных атомных ядер из нуклонов объясняется возникновением между ними ядерных сил (ядерных связей) в результате обмена между ними мезонами, т. е. ядерные силы имеют обменную природу. По-видимому, протон может образовывать связи (т. е. обмениваться мезонами) с ограниченным числом нейтронов, поэтому устойчивость ядер зависит от соотношения числа протонов и нейтронов, входящих в их состав.

Число протонов N_p определяет заряд ядра Z, от которого зависит число электронов N_e в электронейтральном атоме, т. е. N_e = Z . Химические свойства элементов зависят от количества и от расположения электронов в их атомах. Поэтому заряд ядра атома является его важнейшей характеристикой, предопределяющей химические свойства элемента и показывающей его порядковый номер в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Масса ядра (или массовое число А), определяемая числом всех протонов и нейтронов, входящих в состав ядра, практически равна массе всего атома, так как на долю общей массы электронов приходится не более 0,1-0,01%. Тогда число нейтронов N_e в ядре рассчитывается как разность между массовым числом и зарядом ядра (порядковым номером элемента), т. е. А  Z.

Сумма масс нуклонов всегда превышает массу ядра, образованного ими, на величину, называемую дефектом массы. Эта величина характеризует устойчивость ядра и соответствует энергии (E = mc²), выделяющейся при его образовании из протонов и нейтронов.

Число протонов (заряд ядра атома) и массовое число обозначают числовыми индексами, которые занимают определенное положение относительно символа элемента. Массовое число указывают слева вверху, заряд ядра слева внизу. например, и т.д.

Ядра, содержащие одинаковое число протонов, входят в состав атомов одного и того же элемента. Но они могут содержать различное число нейтронов и, следовательно, иметь разную массу. Разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся своей массой, называются изотопами (от греч. isos  равный, topos  место).

Почти все химические элементы состоят из нескольких изотопов, поэтому их атомные массы, являющиеся средними арифметическими значениями от масс изотопов, выражаются не целыми, а дробными числами. Для водорода известно три изотопа: протий (легкий или обычный водород), дейтерий или D (тяжелый водород) и тритий или Т (сверхтяжелый водород). Природный кислород состоит также из трех изотопов: , хотя искусственным путем можно получить еще такие изотопы, как .

Наиболее многочисленны изотопы (по 6-10) у элементов с зарядом ядра от 40 до 56, т. е. расположенных в середине периодической системы.

Устойчивых (стабильных) изотопов значительно меньше, чем неустойчивых, т. е. радиоактивных. Например, из 19 изотопов иода лишь ¹²⁷I является стабильным, входящим в природные соединения иода. Устойчивые изотопы имеют элементы, у которых заряд ядер атомов не превышает 83.