Состав ядра и заряд атома
Выбирай изотоп и электронное состояние. Посчитай три вида частиц отдельно.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Точки обозначают состав ядра, не реальные положения нуклонов. Масштабы ядра и электронной оболочки не воспроизводятся.
Состав ядра
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами. Протон имеет заряд +e, нейтрон электрически нейтрален. Их массы близки, но не равны; нейтрон немного тяжелее протона.
Зарядовое число Z равно числу протонов и определяет химический элемент. Массовое число A равно общему числу нуклонов: A = Z + N. Следовательно, число нейтронов N = A − Z. Массовое число — целое число частиц, а не измеренная масса в килограммах.
Протоны
Z
Нуклоны
A = Z + N
Нейтроны
N = A − Z
Элемент задаётся числом протонов, а массовое число учитывает протоны и нейтроны.
Почему A = 12 не означает массу ровно 12 кг?
A является безразмерным счётным числом нуклонов; массу выражают в килограммах или атомных единицах массы.
Изотопы и ионы
Изотопы одного элемента имеют одинаковое Z и разное N, следовательно, разное A. Углерод-12 и углерод-14 оба содержат 6 протонов, но соответственно 6 и 8 нейтронов. Различие нейтронов меняет ядерные свойства и массу.
В нейтральном атоме число электронов равно Z. Ионизация меняет электронную оболочку: положительный ион имеет меньше электронов, отрицательный — больше. Если заряд иона равен qe, число электронов Z − q; знак q нужно сохранять.
| Изменение | Что меняется |
|---|---|
| Число нейтронов | Изотоп |
| Число протонов | Химический элемент |
| Число электронов | Заряд иона |
Изотоп и ион описывают разные изменения: в ядре и в электронной оболочке.
У углерода-14 оторвали один электрон. Сколько осталось протонов и нейтронов?
По-прежнему 6 протонов и 8 нейтронов. Электронов стало 5, заряд иона +e.
Частицы Стандартной модели
Таблица группирует элементарные частицы. Протоны и нейтроны — составные адроны, поэтому их не следует добавлять как ещё два элементарных лептона.
Cush · Public domain · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Энергия связи на нуклон
По вертикали отложена средняя энергия связи на нуклон, по горизонтали — массовое число. Полная энергия связи и средняя на частицу различаются.
Fastfission · Public domain · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Размеры и ядерные силы
Радиус ядра составляет несколько фемтометров: 1 фм = 10⁻¹⁵ м. Приближённо R ≈ r₀A^(1/3), где r₀ около 1,2 фм. Это отражает примерно постоянную плотность ядерного вещества, а не укладку твёрдых шариков с видимыми границами.
Протоны электрически отталкиваются, но на ядерных расстояниях нуклоны связывает сильное взаимодействие. Ядерные силы короткодействующие. Электрическая нейтральность нейтрона не означает отсутствия сильного взаимодействия с ядрами.
| Свойство | Протон | Нейтрон |
|---|---|---|
| Заряд | +e | 0 |
| Относительная масса | Около 1 u | Около 1 u, немного больше |
| В ядре | Участвует в сильном взаимодействии | Участвует в сильном взаимодействии |
Ядро удерживается сильным взаимодействием, несмотря на электрическое отталкивание протонов.
Нейтрон не заряжен. Значит ли это, что он проходит через любое вещество без взаимодействий?
Нет. Он взаимодействует с ядрами, может рассеиваться или поглощаться; характер процесса зависит от энергии и вещества.
Модель: состав без путаницы
Выбирай изотоп и состояние электронной оболочки. Цветные точки в ядре обозначают протоны и нейтроны, но не их реальные положения. Электроны подсчитываются отдельно; модель не задаёт их классические орбиты.
Для железа-56 Z = 26, N = 30. Нейтральный атом содержит 26 электронов, ион +e — 25. Для водорода-1 ядро состоит из одного протона без нейтронов. Возможность конкретного ионного состояния зависит от элемента, поэтому показаны только нейтральный атом и потеря одного электрона.
Прочитать Z и A
Элемент и изотоп
Вычислить N
A − Z
Учесть ионизацию
Электронов Z или Z − 1
Ядерный состав и электронный заряд нужно считать отдельно.
Можно ли по одному массовому числу A всегда назвать элемент?
Нет. Разные элементы могут иметь одинаковое A при разных Z.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 35. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 35. Протонно-нейтронная модель.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.