Как называются протоны и нейтроны вместе

9 класс

Открытие нейтрона дало толчок к пониманию того, как устроены ядра атомов.

В том же 1932 г., когда был открыт нейтрон, советский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий физик Вернер Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель строения ядер, справедливость которой была впоследствии подтверждена экспериментально.

Протоны и нейтроны называются нуклонами (от лат. nucleus — ядро). Используя этот термин, можно сказать, что атомные ядра состоят из нуклонов.

Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А.

Так, например, для азота 14 ₇ N массовое число А = 14, для железа 56 ₂₆ Fe массовое число А = 56, для урана 235 ₉₂ U массовое число А = 235.

Понятно, что массовое число А численно равно массе ядра m, выраженной в атомных единицах массы и округлённой до целых чисел (поскольку масса каждого нуклона примерно равна 1 а. е. м.). Например, для азота m ≈ 14 а. е. м., для железа m ≈ 56 а. е. м. и т. д.

Число протонов в ядре называется зарядовым числом и обозначается буквой Z.

Например, для азота для азота 14 ₇ N зарядовое число Z = 7, для железа 56 ₂₆ Fe зарядовое число Z = 26, для урана 235 ₉₂ U зарядовое число Z = 92 и т. д.

Заряд каждого протона равен элементарному электрическому заряду. Поэтому зарядовое число Z численно равно заряду ядра, выраженному в элементарных электрических зарядах. Для каждого химического элемента зарядовое число равно атомному (порядковому) номеру в таблице Д. И. Менделеева.

Ядро любого химического элемента в общем виде обозначается так: A _Z X (под X подразумевается символ химического элемента).

Число нейтронов в ядре обычно обозначают буквой N. Поскольку массовое число А представляет собой общее число протонов и нейтронов в ядре, то можно записать: A = Z + N.

На основе протонно-нейтронной модели строения атомных ядер было дано объяснение некоторым экспериментальным фактам, открытым в первые два десятилетия XX в.

Так, в ходе изучения свойств радиоактивных элементов было обнаружено, что у одного и того же химического элемента встречаются атомы с различными по массе ядрами.

Одинаковый заряд ядер свидетельствует о том, что они имеют один и тот же порядковый номер в таблице Д. И. Менделеева, т. е. занимают в таблице одну и ту же клетку, одно и то же место. Отсюда и произошло название всех разновидностей одного химического элемента: изотопы (от греч. слов isos — одинаковый и topos — место).

Изотопы — это разновидности данного химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер.

Благодаря созданию протонно-нейтронной модели ядра (т. е. примерно через два десятилетия после открытия изотопов), удалось объяснить, почему атомные ядра с одним и тем же зарядом обладают разными массами. Очевидно, ядра изотопов содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов.

Так, например, существует три изотопа водорода: 1 ₁ H (протий), 2 ₁ H (дейтерий) и 3 ₁ H (тритий). Ядро изотопа 1 ₁ H вообще не имеет нейтронов — оно представляет собой один протон. В состав ядра дейтерия 2 ₁ H входят две частицы: протон и нейтрон. Ядро трития 3 ₁ H состоит из трёх частиц: одного протона и двух нейтронов.

Гипотеза о том, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, подтверждалась многими экспериментальными фактами.

Но возникал вопрос: почему ядра не распадаются на отдельные нуклоны под действием сил электростатического отталкивания между положительно заряженными протонами?

Расчёты показывают, что нуклоны не могут удерживаться вместе за счёт сил притяжения гравитационной или магнитной природы, поскольку эти силы существенно меньше электростатических.

В поисках ответа на вопрос об устойчивости атомных ядер учёные предположили, что между всеми нуклонами в ядрах действуют какие-то особые силы притяжения, которые значительно превосходят электростатические силы отталкивания между протонами. Эти силы назвали ядерными.

Гипотеза о существовании ядерных сил оказалась правильной. Выяснилось также, что ядерные силы являются короткодействующими: на расстоянии 10 -15 м они примерно в 100 раз больше сил электростатического взаимодействия, но уже на расстоянии 10 -14 м они оказываются ничтожно малыми. Другими словами, ядерные силы действуют на расстояниях, сравнимых с размерами самих ядер.

Вопросы:

1. Как называются протоны и нейтроны вместе?

2. Что называется массовым числом? Что можно сказать о числовом значении массы атома (в а. е. м.) и его массовом числе?

3. 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?

4. Как связаны между собой массовое число, зарядовое число и число нейтронов в ядре?

5. Как в рамках протонно-нейтронной модели ядра объяснить существование ядер с одинаковыми зарядами и различными массами?

6. Какой вопрос возникал в связи с гипотезой о том, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов? Какое предположение пришлось сделать учёным для ответа на этот вопрос?

7. Как называются силы притяжения между нуклонами в ядре и каковы их характерные особенности?

Упражнения:

Упражнение № 48

1. Сколько нуклонов в ядре атома бериллия 9 ₄ Be ? Сколько в нём протонов; нейтронов?

2. Для атома калия 39 ₁₉ K определите:

а) зарядовое число;

б) число протонов;

в) порядковый номер в таблице Д. И. Менделеева;

г) число нуклонов;

д) число нейтронов.

3. Определите с помощью таблицы Д. И. Менделеева, атом какого химического элемента имеет:

а) 3 протона в ядре;

4. При α-распаде исходное ядро, излучая α-частицу 4 ₂ He , превращается в ядро атома другого химического элемента.

§ 71. Состав атомного ядра. Массовое число. Зарядовое число. —

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.

1. Сколько нуклонов в ядре атома бериллия 94Be? Сколько в нем протонов? нейтронов?

2. Для атома калия 39 ₁₉K 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 ₂He, 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 _-1e и антинейтрино 0 ₀v (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.

Строение ядра атома (ядерные силы изотопы)

Строение ядра атома это состоит из двух видов элементарных частиц: протонов и нейтронов, называемых вместе ядерными частицами, или нуклонами. которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия.

Что такое строение ядра атома

Протон и нейтрон имеют массу, близкую к единице (в атомной физике за единицу массы принимается 1/12 массы атома изотопа углерода ₆С 12 ). Она называется атомной единицей массы (а. е. м.) и с округлением равняется 1,66•10 -24 г (масса электрона равняется 1/1836 а. е. м.).

Протон имеет единичный (элементарный) положительный электрический заряд. Нейтрон электрического заряда не имеет.

Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе, иначе называемому атомным номером или зарядовым шелом Z ядра.

Числа нуклонов, т. е. протонов и нейтронов вместе, соответствует атомному весу элемента, округленному до целых единиц, и называется массовым числом А.

Очевидно, число N нейтронов в ядре равно разности между массовым числом и атомным номером элемента:

N = А — Z.

Ядро обозначается химическим символом элемента с указанием при нем в форме индексов атомного номера и массового числа по образцу:

где Y — символ элемента.

Пример обозначения

Ядро водорода ₂H 1 , гелия ₂Не 4 . лития ₃Li 7 и т. д.

Соответственно обозначаются и ядерные частицы: протон — ₁p 1 и нейтрон —₀n 1 . На рис. 1 изображены схематически ядра водорода, гелия, лития, азота и алюминия (на рис. 1, так же как и на последующих, протоны изображаются черными кружками, нейтроны — белыми).

Нуклоны в ядре атома связаны между собой особыми силами взаимного притяжения, которые называются ядерными силами.

Предполагается, что они имеют обменную природу, т. е. возникают в процессе непрерывного обмена между нуклонами особыми частицами (квантами ядерного поля), которые называются π-мезонами.

Ядерные силы

Ядерные силы это :

1. Силы действуют между частицами независимо от того, имеют или не имеют частицы электрический заряд, т. е. как между протонами, между нейтронами, так и между протонами и нейтронами. Это называется зарядовой независимостью ядерных сил;
2. Ядерные силы — сильнодействующие; по величине они на несколько порядков больше, чем любые другие известные в природе силы (гравитационные, электрические, магнитные и т. п.) и, в частности, силы электро статического отталкивания, действующие в ядре между протонами;
3. Ядерные силы — короткодействующие, они действуют только на чрезвычайно малых расстояниях между частицами порядка размеров са мого ядра, т. е. 10 -12 —10 -13 см, при увеличении расстояния они быстро убывают (обратно пропорционально седьмой степени расстояния).

Ядерные силы по величине не зависят от общего числа нуклонов в ядре, в то время как противодействующие им силы отталкивания между протонами прямо пропорциональны их общему числу в ядре.

Поэтому наиболее прочными и устойчивыми являются ядра атомов легких (с невысоким атомным номером) элементов.

Ядра атомов тяжелых (с высоким атомным номером) элементов менее прочны, а ядра атомов последнего ряда периодической системы элементов уже неустойчивы и само-распадаются, т. е. являют ся радиоактивными.

Более прочными являются ядра с определенным соотношением числа нейтронов и протонов. Для легких ядер это соотношение близко к единице

N/Z ≈ 1,

для тяжелых — оно постепенно увеличивается примерно до 1,6:

N/Z = 1,6.

Отмечается также, что более прочными являются ядра с четными числами протонов и нейтронов (четно-четные ядра), из них наиболее прочными являются ядра с числами протонов или нейтронов: 2, 8, 20, 50, 82 (так называемые магические ядра).

Пример устойчивого ядра

Примером наиболее устойчивого ядра является ядро атома гелия (альфа-частица). Эта частица часто выбрасывается из ядра при радиоактивном распаде , а при ударе о ядро атома какого-либо элемента в определен ных случаях вызывает превращение его в ядро другого элемента.

В соответствии со свойствами ядерных сил предложены капельная и оболочечная модели строения ядер атомов.

Согласно капельной модели (предложена Н. Бором, разработана советским физиком Я. Френкелем) нуклоны в ядре взаимодействуют подобно молекулам в капле жидкости, при чем на поверхностно расположенные нуклоны действуют силы, аналогичные силам поверхностного натяжения жидкости. Это придает ядру необходимую прочность. Эта модель хорошо объясняет механизм ядерных реакций и особенно реакции деления ядра.

Оболочечная модель предусматривает распределение нуклонов в ядре по определенным энергетическим уровням (оболочкам) и связывает устойчивость ядра с условием заполнения этих уровней. Эта модель имеет подтверждение, например, в существовании магических ядер, которые согласно этой модели имеют заполненные энергетические уровни.

Изотопы

Изотопы это элементы, имеющие одинаковый атомный номер, но несколько отличающиеся по массовому числу вследствие различного количества нейтронов в ядре.

Существуют также атомы, ядра которых имеют одинаковый атомный номер, но различаются по массовому числу, т. е. эти ядра содержат одинаковое число протонов, но несколько отличное между собой число нейтронов.

Элементы, имеющие подобные ядра, называются изотопами, что означает «занимающие одно и то же место» (подразумевается в периодической системе элементов).

Строение электронных оболочек у изотопов одинаково, поэтому они имеют тождественные химические свойства. Основные физические свойства изотопов также сходны между собой.

Однако по ряду физических свойств, особенно связанных с массой ядра, они отличаются, что и позволяет осуществить их разделение.

Изотопы химических элементов

Изотопы открыты у подавляющего большинства элементов, причем среди них имеются как устойчивые, так и радиоактивные вещества.

В природных условиях или полученные искусственно в свободном виде или в составе химических соединений изотопы одного и того же элемента встречаются всегда в смеси строго определенного состава.

Это есть закон постоянства изотопного состава.

Обычно один изотоп составляет большую часть элемента, остальные имеются в нем в незначительных, а иногда и ничтожных количествах. Постоянство изотопного состава обусловливает постоянство атомных весов элементов, которые указаны в таблице Менделеева, и получаются как среднее из атомных весов изотопов, взятых в соответствующей пропорции.

Примеры изотопов

Для примера рассмотрим устойчивые изотопы некоторых элементов. Водород имеет три легкий изотопа водорода (протий) Н и тяжелый водород (дейтерий) Д.

Ядра их называются протон ₁H 1 и дейтрон ₁Н 2 . Получен искусственно, а также встречается в природе в ничтожных количествах третий изотоп — сверхтяжелый водород (тритий) Т.

Ядро его — тритон ₁Н 3 . Он является слабо радиоактивным. Соотношение их в природном газе ₁H 1 — 99,98%; ₁Н 2 — 0,015%; ₁Н 3 — 0,005%.

Строение атомов изотопов водорода показано схематически на рис. 2, а.

Дейтерий, соединяясь с кислородом, образует тяжелую воду (Д₂О), которая отличается от обыкновенной воды некоторыми физическими свойствами, а также тем, что жизненные процессы, происходящие в ней, замедляются.

Гелий, кроме основного: ₂Не 4 , имеет изотоп ₂Не 3 (10 -5 % в природном газе)

Литий — имеет два изотопа с массовыми числами 6 и 7: ₃Li 6 и ₃Li 7 (рис. 570, б). Соотношение в природном элементе 7,3 и 92,7%,

Углерод, кроме основного ₆С 12 (98,9%), имеет устойчивый изотоп ₆С 13 (1,1%). Изотоп ₆С 12 является стандартом для атомной единицы массы (а. е. м.).

Азот ₇N 14 имеет изотоп ₇N 15 , встречающийся в долях процента.

Внутри атомного ядра: сильное и слабое

Читавшие статью про устройство атомов в «Квантике» № 11 за 2018 год знают, что любое вещество состоит всего из трёх типов элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны — тяжёлые, гораздо тяжелее электронов. Они образуют ядра атомов, а электроны летают вокруг этих ядер, совсем улететь им не даёт электрическое притяжение протонов: протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный, и все частицы с зарядами одного знака отталкиваются друг от друга, а с зарядами разных знаков — притягиваются.

Задача 1

Размер атомного ядра примерно 10 −15 м 1 , а размер атома — диаметр орбит электронов — примерно 10 −10 м. Если мы, делая модель атома, в качестве ядра нарисуем ручкой точку размером 1 мм, какого размера нужно рисовать атом? А какого размера получится в таком масштабе модель вируса гриппа? Размер настоящего вируса гриппа — 10 −7 м.

Размер атома в этой модели (10 −10 : 10 −15 ) · 1 мм = 10 5 мм = 100 м. Размер вируса (10 −7 : 10 −15 ) · 1 мм = 10 8 мм = 100 км.

Внутри атомного ядра протоны и нейтроны — они вместе называются нуклонами 2 — «держатся» друг за дружку ядерными силами. Это совсем не то же самое, что электрические (точнее, электромагнитные) силы. Например, в ядерном взаимодействии протон и нейтрон участвуют «на равных» (в отличие от электромагнитного, ведь у нейтрона электрического заряда нет, а у протона есть). Ядерное взаимодействие иначе называют сильным, так что можно сказать: «В ядре действуют сильные силы» — и это не будет бессмысленным повтором.

Эти «сильные силы» действительно очень велики, иначе ядра не удерживались бы и разваливались. Ведь протоны в них все «отпихиваются» друг от друга электрическими силами. К тому же нуклоны в ядре не стоят на месте, а быстро движутся. Попробуйте втроём-вчетвером взяться за руки и начать беспорядочно прыгать и метаться туда-сюда. Удержать друг друга и не расцепить руки будет гораздо сложнее, чем если бы все спокойно водили хоровод.

Радиоактивность

И всё же иногда сильного взаимодействия не хватает, чтобы удержать ядро, и оно разваливается на части. Это называется распад ядра, или радиоактивный распад, а элементы, или изотопы (помните, что это?), которые норовят распасться, называются радиоактивными. В большинстве атомов вокруг нас ядра устойчивые и никогда не развалятся. Разве что по ядру очень сильно стукнет, например, ещё один протон или нейтрон (это будет вынужденный распад). Они такие стабильные потому, что в них правильное соотношение протонов и нейтронов: у лёгких ядер — протонов и нейтронов примерно поровну, а у тяжёлых — нейтронов чуть больше; чем тяжелее ядро, тем больше доля нейтронов (проверьте по таблице Менделеева). Но ядру вредно быть очень толстым: если протонов в нём совсем много (больше 82), то устойчивой конфигурации уже нет: сколько нейтронов ни клади, ядро развалится.

Если соотношение протонов и нейтронов «неудачное», ядро рано или поздно распадётся. Некоторые, правда, могут перед этим прожить многие миллиарды лет, а другие не проживут и долю секунды. Ядро может развалиться на пару ядер поустойчивей и полегче, но чаще всего от него просто откалывается небольшой кусочек — обычно два протона и два нейтрона, то есть как раз ядро атома гелия. Ядро гелия \(<>^<4>_<2>\mathrm\) иначе называется альфа-частицей, а распад с испусканием этой частицы — альфа-распадом. Вот пример такой ядерной реакции:

Здесь ядро урана превращается в ядро тория.

Задача 2

Вспомните, что значат числа, стоящие возле символа элемента, и проверьте, что ни один протон или нейтрон в этом процессе не пострадал.

Вверху слева — массовое число, то есть число нуклонов (протоны + нейтроны) в ядре, внизу слева — заряд ядра, то есть число протонов.

Задача 3

Напишите реакцию альфа-распада радия (сведения о радии см. в таблице Менделеева) 3 .