46. Состав ядра атома

После открытия нейтрона физики Д. Д. Иваненко (советский ученый) и В. Гейзенберг (немецкий ученый) в 1932 г. выдвинули гипотезу о протонно-нейтронной модели атомного ядра. Согласно этой модели ядро атома любого вещества состоит из протонов и нейтронов. (Общее название протонов и нейтронов — нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с номером элемента в таблице Менделеева, т.е. N_p = Z. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу, тогда число нейтронов N_n = A – Z. Например, ядро атома кислорода состоит из 8 протонов и 16 – 8 = 8 нейтронов. Ядро атома состоит из 92 протонов и 235 – 92 = 143 нейтронов.

Обозначаются нейтральный атом и его ядро одним и тем же символом элемента , где Х — обозначение химического элемента; Z — порядковый номер элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева или зарядовое число; А — массовое число, равное округленной до целого числа массе атома, выраженной в а.е.м.

Если проследить за распределением числа протонов и нейтронов в ядрах различных элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева, то можно заметить, что для ядер элементов вплоть до середины таблицы число нейтронов примерно равно числу протонов, т.е. . По мере утяжеления ядер, количество нейтронов возрастает и в конце таблицы .

  Нуклон (от лат. nucleus - ядро) – единое название протона и нейтрона – частиц, из которых состоит атомное ядро. Протон и нейтрон во многом сходные частицы. Они относятся к одному типу элементарных частиц - барионам, имеют одинаковый спин 1/2 и одинаково участвуют в сильном (ядерном) взаимодействии. Их массы очень близки и различаются всего на 0.14%. В современной физике протон и нейтрон рассматривают как два состояния (две модификации) одной частицы – нуклона. Эти два состояния различаются величиной электрического заряда. Протон - это положительно заряженный нуклон, а нейтрон - нуклон, имеющий нулевой электрический заряд.

Ма́ссовое число́ атомного ядра — суммарное количество протонов и нейтронов (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 ¹²С. Во всех остальных случаях атомная масса не является целым числом, в отличие от массового числа. Массовое число в обозначении конкретного изотопа пишется верхним левым индексом, например ²³²Th.

Зарядовое число — количество протонов в атомном ядре. Зарядовое число равно заряду ядра в единицах элементарного заряда и одновременно равно порядковому номеру соответствующего ядру химического элемента в таблице Менделеева. Зарядовое число обычно обозначается буквой Z. Ядра с одинаковым зарядовым числом, но различным массовым числом A (которое равно сумме числа протонов Z и числа нейтронов N) являются различными изотопами одного и того же химического элемента, поскольку именно заряд ядра определяет структуру электронной оболочки атома и, следовательно, его химические свойства.

Изото́пы— разновидности атомов (и ядер) одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре. Название связано с тем, что изотопы находятся в одном и том же месте (в одной клетке) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят практически только от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём) и почти не зависит от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, ¹²C, ²²²Rn).

Изоба́ры— нуклиды разных элементов, имеющие одинаковое массовое число;

Для обозначения атомных ядер используется следующая система:

• в середине ставится символ химического элемента, что однозначно определяет зарядовое число ядра;

• слева сверху от символа элемента ставится массовое число .

Таким образом, состав ядра оказывается полностью определён, так как .

Пример такого обозначения:

 — ядро урана-238, в котором 238 нуклонов, из которых 92 — протоны, так как элемент уран имеет 92-й номер в таблице Менделеева.

Иногда, однако, для полноты вокруг обозначения элемента указывают все характеризующие ядро его атома числа:

• слева снизу — зарядовое число , то есть, то же самое, что указано символом элемента;

• слева сверху — массовое число ;

• справа снизу — изотопическое число ;

• если речь идёт о ядерных изомерах, к массовому числу приписывается буква из последовательности m, n, p, q, … (иногда используют последовательность m1, m2, m3, …). Иногда эту букву указывают в качестве самостоятельного индекса справа сверху.

Примеры таких обозначений:

, , , .

Масса

Из-за разницы в числе нейтронов изотопы элемента имеют разную массу , которая является важной характеристикой ядра. В ядерной физике массу ядер принято измерять в атомных единицах массы (а. е. м.), за одну а. е. м. принимают 1/12 часть массы нуклида ¹²C^{[сн 2]}. Следует отметить, что стандартная масса, которая обычно приводится для нуклида — это масса нейтрального атома. Для определения массы ядра нужно из массы атома вычесть сумму масс всех электронов (более точное значение получится, если учесть еще и энергию связи электронов с ядром).

Кроме того, в ядерной физике часто используется энергетический эквивалент массы. Согласно соотношению Эйнштейна, каждому значению массы соответствует полная энергия:

, где  — скорость света в вакууме.

Соотношение между а. е. м. и её энергетическим эквивалентом в джоулях:

,

а так как 1 электронвольт = 1,602176×10⁻¹⁹ Дж, то энергетический эквивалент а. е. м. в МэВ равен^[1][3]:

.