2.3 Строение ядра атома. Изотопы

Назад Назад Далее Далее


Любой атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, находящихся возле ядра. Атомное ядро имеет очень небольшие размеры относительно общего размера атома , однако содержит в себе практически всю массу атома.

Ядра атомов химических элементов состоят из нуклонов – положительно заряженных протонов p и незаряженных нейтронов n. Например, ядро атома водорода состоит всего из одного протона, а ядро гелия – из четырёх нуклонов: двух протонов и двух нейтронов.

Для того чтобы описать состав любого атомного ядра используют всего три числа – зарядовое, массовое и изотопическое. Первое число обозначается \(Z\) и называется зарядовым числом. Это число показывает количество протонов в ядре. Оно записывается нижним индексом перед символом элемента, например, так:

\(\mathrm{_8O}\)

Зарядовое число для любого элемента равно его номеру в периодической системе химических элементов.

Второе число обозначается \(A\) и называется массовым числом. Оно показывает общее количество протонов и нейтронов в ядре. Оно записывается верхним индексом перед символом элемента:

\(\mathrm{^{16}_8O}\)

Существует ещё третье изотопическое число \(N\), показывающее количество нейтронов в ядре, как нетрудно догадаться, оно равно разнице массового и зарядового чисел:

\(N = A - Z\)

Каждый химический элемент имеет своё собственное индивидуальное зарядовое число (номера химических элементов в периодической системе не повторяются), поэтому число \(Z\) показывает, какой это химический элемент, то есть какое положение он занимает в периодической системе. Например, у углерода \(Z\) равно шести, у азота – семи и т.д. Число нейтронов при этом может быть разным. Например, известно о существовании трех видов атомов водорода с разными массовыми числами. Самый лёгкий водород называется протий – такие атомы представляют собой самый распространённый на нашей планете водород. У протия ядро представляет собой просто один протон. Другой, более тяжёлый водород, называют дейтерий – у него ядро состоит из одного протона и одного нейтрона. Наконец, самый тяжёлый водород называют тритий – его ядро атома состоит из одного протона и двух нейтронов.

Атомы одного химического элемента, отличающиеся только числом нейтронов, называются изотопами или нуклидами. Ещё раз подчеркнём – все изотопы одного химического элемента имеют одно и то же число \(Z\) и занимают одно и то же положение в периодической системе и отличаются только массовым числом \(A\), то есть имеют разное количество нейтронов, но одинаковое количество протонов. Например, изотопы урана уран-235 и уран-238 представляют собой один и тот же химический элемент – уран:

\(\mathrm{^{235}_{92}U}\), \(\mathrm{^{239}_{92}U}\)

Или, например, углерод-12, углерод-13 и углерод-14 представляют собой три изотопа углерода с массовыми числами \(12\), \(13\) и \(14\) соответственно. Атомный номер углерода равен шести, поэтому в каждом из этих изотопов ядро атома содержит шесть протонов, а число нейтронов в этих изотопах составляет \(6\), \(7\) и \(8\) соответственно.

Поскольку зарядовое число \(Z\) уже задано при обозначении символа элемента, изотопы обычно записывают только с использованием массового числа, например \(\mathrm{^{14}C}\), \(\mathrm{^{180}Ta}\).

Иногда вопрос – какой термин более правильный – изотопы или нуклиды? Правильным является термин «нуклиды», его официально рекомендует IUPAC, но можно использовать оба термина. Дело в том, что термин «изотопы» появился раньше термина «нуклиды» и первоначально использовался только во множественном числе для сравнения рядов атомов с одинаковым зарядовым числом, но разным массовым числом, например \(\mathrm{^{12}C}\), \(\mathrm{^{13}C}\), \(\mathrm{^{14}C}\). А для рядов атомов с одинаковым массовым числом но разным зарядовым числом использовался термин изобары, например \(\mathrm{^{40}Ar}\), \(\mathrm{^{40}K}\), \(\mathrm{^{40}Ca}\). А термин нуклиды появился позднее и был придуман именно для названия конкретных атомных ядер. Однако термин изотопы так прочно вошёл в речь химиков, что и по сей день изотопами называют отдельные нуклиды и сейчас эти термины используются равнозначно. Таким образом, термин «изотоп» уже не используется в первоначальном контексте так же, как, например это произошло с термином «атом», первоначально означающем «неделимый».

Одинаковые или разные химические и физические свойства у изотопов одного химического элемента? Изотопы имеют одинаковое электронное строение, и обычно небольшая разница в числе нейтронов почти не оказывает влияния на химические свойства элементов. Однако это не всегда так. Для самых лёгких элементов, например водорода, получается ситуация, когда их изотопы сильно различаются по массе, например, дейтерий в два раза тяжелее протия, а тритий в три раза тяжелее. Это приводит к тому, что наблюдаются отчётливые различия в поведении изотопов, например, в скоростях химических реакций. Эти явления называют изотопными эффектами. Физические же свойства изотопов могут очень сильно различаться, поскольку изотопы часто сильно различаются по стабильности, а вещества имеющие в своём составе разные изотопы имеют разные физические свойства. Например, вода, имеющая в своём составе протий, имеет меньшую плотность и более низкую температуру замерзания, чем тяжёлая вода, имеющая в составе дейтерий.

Физические свойства (при н.у.) \(\mathrm{H_2O}\) \(\mathrm{D_2O}\)
Плотность, г/см3 \(1{,}0000\) \(1{,}1059\)
tкип, °С \(100\) \(101{,}4\)
tпл, °С \(0\) \(3{,}8\)

Некоторые изотопы являются радиоактивными, т.е. распадаются с течением времени и поэтому называются радиоизотопами или радионуклидами, тогда как другие не подвержены радиоактивному распаду и называются стабильными изотопами или стабильными нуклидами. Например, \(\mathrm{^{14}C}\) представляет собой радиоактивную форму углерода, тогда как \(\mathrm{^{12}C}\) и \(\mathrm{^{13}C}\) являются стабильными изотопами. Как правило, по понятным причинам, если элемент имеет стабильные изотопы, эти изотопы преобладают на Земле и в Солнечной системе.

Примечательно, что область стабильных изотопов расходится с линией \(Z = N\) с ростом зарядового числа атомов. Дело в том, что нейтроны необходимы для стабилизации протонов в атомном ядре, связанном сильными ядерными взаимодействиями. С увеличением \(Z\) необходимо все больше нейтронов для стабилизации ядра. Например, для гелия \(\mathrm{^3_2He}\) соотношение нейтронов к протонам равно \(1/2\), а для урана \(\mathrm{^{238}_{92}U}\) уже больше, чем \(3/2\). \(\mathrm{^{40}_{20}Ca}\) является самым тяжелым стабильным нуклидом с равным числом нейтронов и протонов. Все стабильные нуклиды, тяжелее него имеют больше нейтронов, чем протонов.

Однако отношение числа нейтронов к числу протонов не единственный фактор, влияющий на ядерную стабильность. Большое влияние оказывает также чётность или нечётность чисел \(Z\), \(N\) и \(A\). Нечетность как \(Z\), так и \(N\) приводит к снижению ядерной энергии связи, делая нечетные ядра, как правило, менее стабильными.

Большинство стабильных нуклидов имеют четное число протонов и четное число нейтронов, т.е. все числа \(Z\), \(N\) и \(A\) четные. Стабильные нуклиды с нечетным числом нуклонов делятся примерно поровну на атомы с нечетным числом протонов и нечетным числом нейтронов. А вот устойчивые нуклиды, в которых и число протонов, и число нейтронов нечетное крайне мало распространены.

Чётность, \(Z/N\) ЧЧ НН ЧН НЧ Всего
Стабильные \(147\) \(5\) \(53\) \(48\) \(253\)
Долгоживущие \(23\) \(4\) \(3\) \(5\) \(35\)
Всего \(170\) \(9\) \(56\) \(53\) \(288\)

На Земле химические элементы представляют собой обычно смесь изотопов, например, природный хлор состоит на \(75{,}8\ \%\) из \(\mathrm{^{35}Cl}\) и \(24{,}2\ \%\) \(\mathrm{^{37}Cl}\), поэтому атомные массы, которые вы видите в периодической системе представляют собой усреднённые значения, с учётом изотопного состава элементов на Земле, например, у хлора средняя относительная атомная масса равна примерно \(35{,}5\). Не путайте массовое число и атомную массу – это разные понятия, они равны друг другу только для изотопа \(\mathrm{^{12}C}\), который принят за стандарт. Массовое число \(A\) – всегда целое число и равно сумме числа протонов и нейтронов в атоме. Атомная масса \(m_a\) чаще всего дробное число, она отличается от массового числа за счёт небольшой разницы в массе между протонами и нейтронами, а также за счёт массы электронов и такого явления, как дефект массы.

Примеры решения Примеры решения задач


Пример Пример 1
  • Для нуклонов \(\mathrm{^{18}O}\), \(\mathrm{^{31}P}\), \(\mathrm{^{66}Zn}\) и \(\mathrm{^{202}Hg}\) найдите массовые, зарядовые и нейтронные числа.

  • Решение. Массовое число уже указано в названии нуклона верхним левым индексом,
    для \(\mathrm{^{18}O}\) \(A = 18\),
    для \(\mathrm{^{31}P}\) \(A = 31\),
    для \(\mathrm{^{66}Zn}\) \(A = 66\)
    и для \(\mathrm{^{202}Hg}\) \(A = 202\).
    Зарядовые числа данных нуклонов найдем по их номеру в периодической системе Д.И. Менделеева:
    для \(\mathrm{^{18}O}\) \(Z = 8\),
    для \(\mathrm{^{31}P}\) \(Z = 15\),
    для \(\mathrm{^{66}Zn}\) \(Z = 30\)
    и для \(\mathrm{^{202}Hg}\) \(Z = 80\).
    Изотопическое число \(N\) найдем по разности массового и зарядового числа \(N = A - Z\):
    для \(\mathrm{^{18}O}\) \(N = 18 - 8 = 10\),
    для \(\mathrm{^{31}P}\) \(N = 31 - 15 = 16\),
    для \(\mathrm{^{66}Zn}\) \(N = 66 - 30 = 33\)
    и для \(\mathrm{^{202}Hg}\) \(N = 202 - 80 = 122\).

Пример Пример 2
  • Ядро атома некоторого элемента содержит \(46\) нейтронов, а электронная оболочка – \(34\) электрона. Что это за элемент? Какой это изотоп данного элемента?

  • Решение. Количество электронов числено равно количеству протонов и зарядовому числу атомного ядра, следовательно, \(Z = 34\). Зарядовое число равно номеру элемента в периодической системе, элемент с номером \(34\) – это селен. Массовое число данного изотопа равно сумме зарядового и изотопического чисел \(A = Z + N = 34 + 46 = 80\). Следовательно, это изотоп \(\mathrm{^{80}Se}\).

Задачи Задачи


Для атома \(\mathrm{^{40}K}\) найдите зарядовое число, число протонов, число электронов, порядковый номер в таблице Д.И. Менделеева, массовое число, число нуклонов, число нейтронов.

\(Z = 19\), \(N_p = 19\), \(N_e = 19\), \(№ = 19\), \(A = 40\), \(N_{nuc} = 40\), \(N = 40\).

Есть два неизвестных изотопа \(\mathrm{^{136}_{56}X}\) и \(\mathrm{^{138}_{56}X}\), и два изобара \(\mathrm{^{187}_{75}Y}\) и \(\mathrm{^{187}_{76}Z}\). Определите, что это за элементы и найдите для них число протонов, нейтронов и электронов.

56-й элемент в периодической системе это барий (\(\mathrm{X = Ba}\)), 75-й это рений (\(\mathrm{Y = Re}\)) и 76-й это осмий (\(\mathrm{Z = Os}\)). Числа протонов и электронов равны порядковому номеру в периодической системе, а число нейтронов равно разности массового и зарядового чисел \(N = A - Z\).

\(\mathrm{^{136}_{56}Ba}\): \(N_p = N_e = 56\), \(N = 136 - 56 = 80\);
\(\mathrm{^{138}_{56}Ba}\): \(N_p = N_e = 56\), \(N = 138 - 56 = 82\);
\(\mathrm{^{187}_{75}Re}\): \(N_p = N_e = 75\), \(N = 187 - 75 = 112\);
\(\mathrm{^{187}_{76}Re}\): \(N_p = N_e = 76\), \(N = 187 - 76 = 111\).

В приведенных парах изотопов один является стабильным, а второй радиоизотопом. Основываясь на ваших знаниях о стабильности атомных ядер в зависимости от их состава, предположите какой изотоп более стабилен: а) \(\mathrm{^{19}F}\) или \(\mathrm{^{20}F}\); б) \(\mathrm{^{11}C}\) или \(\mathrm{^{12}C}\); в) \(\mathrm{^{32}S}\) или \(\mathrm{^{35}S}\).

Наиболее стабильным скорее всего будет являться чётно-чётный изотоп, менее стабильным – чётно-нечётный или нечётно-чётный, нечётно-нечётный изотоп наверняка нестабилен.

а) \(\mathrm{^{19}F}\) имеет девять протонов и десять нейтронов, а \(\mathrm{^{20}F}\) девять протонов и одиннадцать нейтронов, поэтому изотоп \(\mathrm{^{19}F}\) более стабилен;
б) \(\mathrm{^{11}C}\) имеет шесть протонов и пять нейтронов, а \(\mathrm{^{12}C}\) шесть протонов и шесть нейтронов – он стабильнее;
в) \(\mathrm{^{32}S}\) имеет шестнадцать протонов и шестнадцать нейтронов, а изотоп \(\mathrm{^{35}S}\) имеет шестнадцать протонов и девятнадцать нейтронов, он должен быть менее стабильным.

Назовите реально существующий изотоп с самым высоким значением N/Z.

Тритий.

Назад Назад Далее Далее