Состав атомного ядра. Массовое число.Зарядовое число. Ядерные силы

Введение

После открытия электрона стало ясно, что атом не является неделимой частицей, как считалось ранее. Эксперименты начала XX века показали, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малой области — атомном ядре. Изучение строения ядра позволило объяснить свойства химических элементов, существование изотопов, радиоактивность и ядерные реакции.

Понимание состава атомного ядра стало возможным благодаря открытиям новых частиц и развитию моделей строения ядра. В этой теме рассматриваются основные составляющие ядра, понятия массового и зарядового чисел, а также силы, удерживающие частицы внутри ядра.

Протонно-нейтронная модель атомного ядра

Резерфорд в своих экспериментах установил, что существует такая частица, как протон — положительно заряженная частица, входящая в состав атомного ядра. Однако измерения массы ядра показали, что одной только массой протонов невозможно объяснить реальную массу атомов.

Через некоторое время, в 1932 году, английский физик Джеймс Чедвик установил, что существует ещё одна частица, которая называется нейтрон. Нейтрон не имеет электрического заряда, но его масса близка к массе протона.

После этого открытия независимо друг от друга два учёных — русский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг — предложили протонно-нейтронную модель строения ядра атома. Согласно этой модели, ядро любого атома содержит протоны и нейтроны.

Протоны и нейтроны, находящиеся в ядре атома, было решено называть нуклонами. Таким образом, термин «нуклон» (от латинского слова nucleus — «ядро») является общим названием для протонов и нейтронов. Независимо от того, имеет ли частица заряд или нет, если она входит в состав ядра, она относится к нуклонам.

Зарядовое число атомного ядра

Важную роль в изучении атомов сыграл английский учёный Генри Мозли. В 1913 году он выдвинул идею о том, что заряд ядра атома напрямую связан с порядковым номером химического элемента в периодической системе.

Мозли исходил из того, что атом в целом электрически нейтрален. Это означает, что суммарный отрицательный заряд электронов уравновешивается положительным зарядом ядра. Количество электронов в атоме равно порядковому номеру элемента, а значит, заряд всех электронов равен произведению порядкового номера на элементарный электрический заряд.

Поскольку положительный заряд сосредоточен в ядре, заряд ядра также равен произведению порядкового номера элемента на элементарный заряд. Так было введено понятие зарядового числа.

Зарядовое число (Z) — это число протонов в атомном ядре. Оно:

• определяет химический элемент;

• совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе;

• показывает величину положительного заряда ядра.

Массовое число атомного ядра

Помимо зарядового числа, для характеристики ядра используется массовое число.

Массовое число (A) — это общее количество нуклонов в ядре, то есть сумма протонов и нейтронов:

A = Z + N,
где Z — число протонов, N — число нейтронов.

Массовое число показывает, из скольких частиц состоит ядро и определяет приблизительную массу атома. В отличие от зарядового числа, массовое число может отличаться у атомов одного и того же элемента.

Изотопы

Атомы одного и того же химического элемента могут иметь одинаковое зарядовое число, но различное массовое число. Такие атомы называются изотопами.

Изотопы — это атомы одного химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Изотопы обладают одинаковыми химическими свойствами, но могут отличаться физическими свойствами, например массой или радиоактивностью. Существование изотопов объясняется именно наличием нейтронов в ядре.

Ядерные силы

В атомном ядре сосредоточены положительно заряженные протоны, которые должны отталкиваться друг от друга из-за электрических сил. Однако ядро остаётся устойчивым. Это возможно благодаря действию особых сил — ядерных сил.

Ядерные силы — это силы взаимодействия между нуклонами внутри ядра. Они обладают следующими особенностями:

• действуют только на очень малых расстояниях;

• значительно сильнее электрических сил;

• не зависят от электрического заряда частиц;

• удерживают протоны и нейтроны в ядре.

Именно ядерные силы обеспечивают устойчивость атомных ядер и возможность существования вещества в привычном для нас виде.

Значение изучения состава атомного ядра

Понимание состава ядра и свойств нуклонов:

• объясняет строение атомов;

• позволяет понять природу изотопов и радиоактивности;

• лежит в основе ядерной энергетики;

• используется в медицине, промышленности и научных исследованиях.

Протонно-нейтронная модель атомного ядра является фундаментальной для современной физики.

Вопросы для самопроверки

1. Какие частицы входят в состав атомного ядра?

2. Кто и когда открыл протон?

3. В чём заключалось открытие нейтрона Чедвиком?

4. Что такое нуклоны?

5. В чём состоит протонно-нейтронная модель Иваненко — Гейзенберга?

6. Что называется зарядовым числом ядра?

7. Как Генри Мозли пришёл к выводу о заряде ядра?

8. Что такое массовое число атомного ядра?

9. Чем отличаются изотопы одного элемента?

10. Почему ядро атома устойчиво, несмотря на отталкивание протонов?