Равна массовое число ядра атома марганца. Строение и состав атомного ядра. Зарядовое число. Массовое число. Энергия связи. Дефект масс

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.

Строение атома

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.

Строение ядра

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

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.

Когда нужно знать массовое число?

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.

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?

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.

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.

Состав атомного ядра

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.

Массовое число и зарядовое число

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.

Исследование атомных ядер началось после установления следующих экспериментальных фактов: 1) открытие в 1896 году французским учёным Анри Беккерелем естественной радиоактивности; 2) открытие в 1910 году английским учёным Содди изотопии химических элементов; 3) ядерная модель атома, предложенная в 1911 году великим английским физиком Эрнестом Резерфордом.

Резерфорд, исследуя радиоактивность, пришел в 1908 году к выводу, что при радиоактивном распаде происходит превращение атомов одних химических элементов в атомы других элементов. Позже, исследуя прохождение a-частиц с энергией в несколько мегаэлектрон-вольт через тонкие пленки золота, Резерфорд открыл ядерную модель атома, после чего стало ясно, что при радиоактивности имеет место превращение ядер одних элементов в ядра других элементов.

Открытие изотопии сыграло следующую роль. Атомные веса, т.е. массы атомов химически чистых элементов, как правило, выражаются в а.е.м. числами, не очень близкими к целым. Например, атомный вес бора (В) – 10,82; Ne – 20,183; Cl – 35,457; Fe -56,85 ;… . С открытием изотопии утвердилось мнение, согласно которому химически чистый элемент представляет собой смесь изотопов, отличающихся друг от друга атомными весами. Атомные веса изотопов оказались ближе к целым числам, чем атомные веса элементов, причём тем ближе, чем легче изотоп, т.е. чем меньше его атомный вес. Это навело ученых на мысль, что ядро состоит из частиц, атомные веса которых близки к единице. Этому условию хорошо удовлетворяет ядро атома водорода – протон, атомный вес которого близок к единице (1,008). Кроме того, так как заряд протона положителен, то напрашивалась идея, что в состав ядра обязательно должны входить протоны. Другие составные частицы ядра пришлось выяснять довольно долго. Явление естественной β-активности, казалось, свидетельствовало о том, что в состав ядра входят электроны. Поэтому была предложена протонно-электронная модель ядра. Однако протонно-электронная модель оказалась несостоятельной. По этой модели спин ядра, составленного из чётного числа протонов и электронов, должен быть целым (спин протона, как и спин электрона равен ½ ħ), а на практике наблюдаются и полуцелые числа. Модель не объясняла, почему магнитный момент ядра в 2000 раз меньше магнитного момента электрона. Наконец, протонно-электронная модель оказалась в противоречии с принципом Гейзенберга. Зная размеры ядра, можно оценить величину импульса электрона, входящего в состав ядра, а следовательно, и величину его энергии. Такие оценки дают, что энергия электрона в ядре около 200 Мэв. Согласно эксперименту, энергия связи одной частицы в ядре 7 – 8 Мэв. Кроме того, энергия в 200 Мэв во много раз превышает энергию электронов, испускаемых ядром при β-распаде.

Выход из затруднения был найден после того, как в 1932 году сотрудник Резерфорда, Чадвик, открыл новую элементарную частицу – нейтрон. Масса нейтрона примерно равна массе протона, чуть превышая её, а электрический заряд равен 0. Вскоре после открытия нейтрона, в 1934 году, советским физиком Д.Д.Иваненко была высказана гипотеза о протонно-нейтронном строении ядра. Эта же гипотеза была независимо высказана Гейзенбергом.

В настоящее время протонно-нейтронная структура ядра является общепризнанной и лежит в основе современных представлений о ядре и всей ядерной физики.

По современным данным протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду электрода q p = 1,6 . 10 -19 Кл и массу покоя m p = (1,0075957 ± ±0,000001) а.е.м. = (1836,09±0,01) m e .

Нейтрон (n) - нейтральная частица с массой покоя m n = (1,008982 ± ±0,000003)а.е.м. = (1838,63 ± 0,01) m e , где 1а.е.м.= 1,667 . 10 -27 кг – 1/12 массы атома С 12 ;

m e = 9,106 . 10 -31 кг – масса покоя электрона.

В современной физике считается, что протон и нейтрон – два зарядовых состояния одной и той же частицы, которая называются нуклоном (от лат. nucleus - ядро). Итак, протон – протонное состояние нуклона, нейтрон – нейтронное состояние нуклона. Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом А.

Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где Z - зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в периодической, системе элементов Менделеева. Известные в настоящее время 107 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа ядер от Z =1 до Z = 107. Так как Z равно числу протонов в ядре, то число нейтронов в ядре равно: N = A – Z. В ядерной физике принято ядро обозначать тем же символом, что и нейтральный атом: , где Х - символ

химического элемента, Z - атомный номер (число протонов в ядре), А- массовое число (число нуклонов в ядре).

Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет в число электронов в атоме. От числа же электронов зависит их распределение по состояниям в атоме, от которого, в свою очередь, зависят химические свойства атома. Следовательно, заряд ядра определяет специфику данного химического элемента, т. е. определяет число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутри­атомного электрического поля.

Ядра с одинаковыми Z, но разными А (т. с. с разными числами нейтронов) называются изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z изобарами. Например, водород (Z = 1) имеет три изотопа; - протий (Z =1, N = 0) ; - дейтерий, (Z =1, N = 1); - тритий (Z =1, N = 2).В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют изотопы водорода), определяющимися в основном структурой электронных оболочек, которая является одинаковой для всех изотопов данного элемента.

Примером ядер-изобар могут служить ядра: , , . В настоящее время известно более 2500 ядер, отличающихся либо Z, либо A , либо тем и другим.

Резерфорд показал, что атомные ядра имеют размеры примерно 10 -14 - 10 -15 м (для сравнения, линейные размеры атома примерно 10-10 м). Радиус ядра - задается эмпирической формулой R = R 0 A 1/3 , где R 0 = (1,3÷1,7)10 -15 м. Однако при употреблении этого понятия необходимо соблюдать осторожность из-за его неоднозначности, например из-за размытости границы ядра. Объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер: ρ » 10 17 кг/м 3 .

(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 %.

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.

Напишите отзыв о статье "Массовое число"

Примечания

См. также

Отрывок, характеризующий Массовое число