Состав атомного ядра. Энергия связи
⚡ Физика · 9 класс
Протоны и нейтроны в ядре, ядерные силы, дефект масс и энергия связи нуклонов.
Из чего состоит атомное ядро
Атомное ядро состоит из частиц, которые называют нуклонами. Существует два вида нуклонов: протоны (частицы с положительным зарядом) и нейтроны (частицы без заряда). Открытие нейтрона принадлежит английскому физику Джеймсу Чедвику (1932 год).
Число протонов в ядре называют зарядовым числом Z — оно равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Общее число нуклонов называют массовым числом A. Число нейтронов находят как разность: N = A − Z.
Обозначение ядра
Ядро записывают в виде символа элемента с двумя числами: вверху массовое числоA, внизу зарядовое числоZ.
Изотопы
Изотопы — это разновидности атомов одного элемента, у которых одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Их химические свойства во многом близки из-за одинакового заряда ядра, но масса различается; в некоторых процессах существенны изотопные эффекты. Например, водород имеет изотопы: обычный водород, дейтерий и тритий.
| Частица | Заряд | Масса |
|---|---|---|
| Протон | положительный | около 1 а.е.м. |
| Нейтрон | нет | около 1 а.е.м. |
| Электрон | отрицательный | очень малая |
Ядерные силы
Возникает вопрос: почему положительные протоны не разлетаются, ведь одноимённые заряды отталкиваются? Их удерживают вместе ядерные силы — особые силы притяжения между нуклонами. Они очень велики, но действуют лишь на крошечных расстояниях внутри ядра.
Дефект масс
Опыты показали удивительный факт: масса ядра меньше суммы масс отдельных протонов и нейтронов, из которых оно состоит. Эту разность называют дефектом масс.
Энергия связи
Энергия связи — это энергия, которую нужно затратить, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны. Она связана с дефектом масс формулой Эйнштейна:
E = m·c^2
где m — дефект масс, c — скорость света. Чем больше энергия связи на один нуклон, тем устойчивее ядро.
Разобранный пример
Ядро лития Li имеет A = 7, Z = 3. Тогда число протонов равно 3, а число нейтронов N = 7 − 3 = 4.
Удельная энергия связи
Чтобы сравнивать устойчивость разных ядер, вводят удельную энергию связи — энергию связи, приходящуюся на один нуклон. Чем она больше, тем прочнее ядро. Наибольшей удельной энергией связи обладают ядра средней части таблицы Менделеева, например ядро железа. У очень лёгких и очень тяжёлых ядер она меньше.
Из этого следует важный вывод. Энергию можно получить двумя способами: при слиянии лёгких ядер в более тяжёлые (термоядерная реакция, идущая в звёздах) и при делении очень тяжёлых ядер на более лёгкие. В обоих случаях образуются ядра с большей удельной энергией связи, и часть энергии выделяется.
Зачем нужны нейтроны
В лёгких ядрах число протонов и нейтронов примерно равно. В тяжёлых ядрах нейтронов заметно больше, чем протонов. Нейтроны не отталкиваются электрически, но участвуют в ядерном притяжении, поэтому помогают «склеивать» ядро и компенсировать отталкивание протонов. Без достаточного числа нейтронов тяжёлое ядро не смогло бы существовать.
Частая ошибка: путать массовое число и число нейтронов. Массовое число — это сумма протонов и нейтронов, а не только нейтроны.
Атомная и ядерная физика: что относится к какому уровню
У атома есть ядро и электронная оболочка. Изменение состояния оболочки и изменение ядра — разные процессы. Одинаковое слово «энергия» не делает их одним явлением.
| Вопрос | Что меняется | Основная учебная связь |
|---|---|---|
| Атомный спектр | Энергетическое состояние электронов | hν = |E₂ − E₁| |
| Ионизация | Число связанных с атомом электронов | Нужна энергия отрыва; ядро может не измениться |
| Изотоп | Число нейтронов при прежнем Z | N = A − Z |
| Ядерная реакция | Состав/состояние ядер | Баланс массовых и зарядовых чисел |
| Радиоактивный распад | Самопроизвольное изменение неустойчивого ядра | Статистический закон полураспада |
Три оригинальные проверки
1. Электрон ушёл, ядро осталось. Нейтральный атом с Z = 6 потерял электрон. У него теперь 5 электронов, заряд +e, но ядро по-прежнему содержит 6 протонов. Получился положительный ион, а не новый химический элемент.
2. Свет от перехода. При переходе с уровня −2 эВ на уровень −5 эВ атом отдаёт разность 3 эВ фотону. Это излучение, а не поглощение. Для обратного перехода нужно поглотить соответствующую энергию; числа здесь условные, не спектральная таблица конкретного атома.
3. Проверка α-распада. У ядра A = 210, Z = 84 после испускания ⁴₂He остаются A = 206, Z = 82. Нейтронов было 126, стало 124. В β⁻-распаде массовое число сохраняется, Z увеличивается на 1; дополнительно излучаются электрон и антинейтрино, а не «вылетает готовый орбитальный электрон из ядра».
Граница простой модели
Планетарная картинка полезна как этап истории атома, но не означает, что электроны в современном описании движутся по нарисованным классическим орбитам. Энергия связи на нуклон помогает сравнивать ядра, однако одна эта величина не предсказывает все возможные распады и время жизни. Массовое число A — целое число нуклонов, не точная масса ядра в атомных единицах.
Справочные материалы: Из чего состоит атомное ядро — исходная тема. Связанные уроки: Модель атома Бора, Что такое ядерная реакция.
Кратко о главном
- Ядро состоит из нуклонов: протонов и нейтронов.
- Зарядовое число
Z— число протонов, массовое числоA— число нуклонов. - Изотопы отличаются числом нейтронов.
- Ядерные силы удерживают нуклоны на малых расстояниях.
- Энергия связи определяется дефектом масс:
E = m·c^2.