Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

3.5: Атомне ядро

  • Page ID
    20484
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання
    • Перерахуйте властивості трьох основних субатомних частинок.
    • Визначити одиницю атомної маси (amu).
    • Визначте атомний номер і масове число.
    • Визначте ізотопи.
    • Визначте кількість протонів, нейтронів і електронів в атомі з заданим масовим числом.
    Історичний розвиток різних моделей структури атома узагальнено на рис\(\PageIndex{1}\). Джей Джей Томсон і Роберт Міллікан провели експерименти з вивчення властивостей електронів. Резерфорд встановив, що ядро атома водню є позитивно зарядженою частинкою, для чого він придумав назву протон в 1920 році. Він також припустив, що ядра елементів, відмінних від водню, повинні містити електрично нейтральні частинки приблизно з тією ж масою, що і протон. Нейтрон, однак, не був виявлений до 1932 року, коли Джеймс Чедвік (1891—1974, студент Резерфорда; Нобелівська премія з фізики, 1935) виявив його. В результаті роботи Резерфорда з'ясувалося, що α частка містить два протони і нейтрони, і тому є ядром атома гелію.

    Малюнок\(\PageIndex{1}\) Короткий зміст історичного розвитку моделей компонентів і структури атома. Дати в дужках - це роки, в які проводилися ключові експерименти. (КУБ.СМ ПО-СА-НК).

    Резерфордська модель атома по суті така ж, як і сучасна модель, за винятком того, що тепер відомо, що електрони не рівномірно розподілені по всьому об'єму атома. Замість цього вони розподіляються за набором принципів, описаних квантовою механікою. Малюнок\(\PageIndex{2}\) shows how the model of the atom has evolved over time from the indivisible unit of Dalton to the modern view taught today.

    \(\PageIndex{2}\)Малюнок Еволюція атомної теорії, як ілюструється моделями атома кисню. Модель Бора і поточна модель описані в главі 6, «Будова атомів». Зображення, що використовується з дозволом (CC BY-SA-NC).

    Ядро (множина, ядра) - позитивно заряджена область в центрі атома. Він складається з двох типів субатомних частинок, щільно упакованих між собою. Частинками є протони, які мають позитивний електричний заряд, і нейтрони, які в електричному заряді нейтральні. Поза ядром атом в основному порожній простір, через нього свистуть негативні частинки, звані електронами. На малюнку \(\PageIndex{3}\)нижче показані ці частини атома.

    Діаграма атома ядра з ядром в центрі та навколишньою хмарою електронів
    \(\PageIndex{3}\)Малюнок Ядерний атом

    Ядро атома вкрай мало. Його радіус становить всього близько 1/100 000 від загального радіуса атома. Якби атом був розміром з футбольний стадіон, ядро було б розміром приблизно з горошину! Електрони практично не мають маси, але протони і нейтрони мають велику масу для своїх розмірів. В результаті ядро має практично всю масу атома. З огляду на його велику масу і крихітні розміри, ядро дуже щільне. Якби об'єкт розміром з копійку мав таку ж щільність, як ядро атома, його маса була б більше 30 мільйонів тонн!

    Тримаючи все разом

    Частинки з протилежними електричними зарядами притягують один одного. Це пояснює, чому негативні електрони обертаються навколо позитивного ядра. Частинки з однаковим електричним зарядом відштовхують один одного. Це означає, що позитивні протони в ядрі розсовуються один від одного. Так чому ж ядро не розлітається? Ще сильніша сила - називається сильною ядерною силою - утримує протони і нейтрони разом в ядрі.

    Таблиця\(\PageIndex{1}\) дає властивості і розташування електронів, протонів і нейтронів. Третя колонка показує маси трьох субатомних частинок в «атомних одиницях маси». Атомна одиниця маси (\(\text{amu}\)) визначається як одна дванадцята маса атома вуглецю-12. Атомні одиниці маси (\(\text{amu}\)) корисні, тому що, як бачите, маса протона і маса нейтрона майже точно знаходяться\(1\) в цій одиничній системі. Таблиця\(\PageIndex{1}\): Властивості субатомних частинок
    Частинка Символ Маса (аму) Відносна маса (протон = 1) Відносний заряд Місцезнаходження
    протона р + 1 1 +1 всередині ядра
    електрон е 5,45× 10 −4 0.00055 −1 зовнішнє ядро
    нейтрон п 0 1 1 0 всередині ядра
    аму в грамі і кілограмі

    1 аму = 1,6605 × 10 −24 г = 1,6605 × 10 −27 кг

    Атомний номер

    Негативні і позитивні заряди однакової величини скасовують один одного. Це означає, що негативний заряд на електроні відмінно врівноважує позитивний заряд на протоні. Іншими словами, нейтральний атом повинен мати рівно один електрон на кожен протон. Якщо нейтральний атом має 1 протон, він повинен мати 1 електрон. Якщо нейтральний атом має 2 протони, він повинен мати 2 електрона. Якщо нейтральний атом має 10 протонів, він повинен мати 10 електронів. Ви отримуєте ідею. Для того щоб бути нейтральним, атом повинен мати однакову кількість електронів і протонів.

    Вчені розрізняють різні елементи шляхом підрахунку кількості протонів в ядрі (табл.\(\PageIndex{2}\)). Якщо атом має лише один протон, ми знаємо, що це атом водню. Атом з двома протонами - це завжди атом гелію. Якщо вчені вважають чотири протони в атомі, вони знають, що це атом берилію. Атом з трьома протонами - це атом літію, атом з п'ятьма протонами - атом бору, атом з шістьма протонами - атом вуглецю.

    Оскільки атом одного елемента можна відрізнити від атома іншого елемента за кількістю протонів в його ядрі, вчених завжди цікавить це число, і чим відрізняється це число між різними елементами. Кількість протонів в атомі називається його атомним номером (\(Z\)). Це число дуже важливо, оскільки воно є унікальним для атомів даного елемента. Всі атоми елемента мають однакову кількість протонів, і кожен елемент має різну кількість протонів у своїх атомах. Наприклад, всі атоми гелію мають два протони, а жоден інший елемент не має атомів з двома протонами.

    Ім'я протони Нейтрони Електрони Атомний номер (Z) Масове число (A)
    Таблиця\(\PageIndex{2}\): Атоми перших шести елементів
    Водень 1 0 1 1 1
    Гелій 2 2 2 2 4
    Літій 3 4 3 3 7
    Берилій 4 5 4 4 9
    Бор 5 6 5 5 11
    Вуглець 6 6 6 6 12

    Звичайно, оскільки нейтральні атоми повинні мати один електрон для кожного протона, атомний номер елемента також говорить вам, скільки електронів знаходиться в нейтральному атомі цього елемента. Наприклад, водень має атомний номер 1. Це означає, що атом водню має один протон, а якщо він нейтральний, то і один електрон. Золото, з іншого боку, має атомний номер 79, що означає, що атом золота має 79 протонів, і, якщо він нейтральний, також 79 електронів.

    Нейтральні атоми

    Атоми нейтральні в електричному заряді, оскільки мають таку ж кількість негативних електронів, що і позитивні протони (табл.\(\PageIndex{2}\)). Тому атомний номер атома також говорить вам, скільки електронів має атом. Це, в свою чергу, визначає багато хімічних властивостей атома.

    Масове число

    Масове число (\(A\)) атома - це загальна кількість протонів і нейтронів в його ядрі. Маса атома - це одиниця, яка називається одиницею атомної маси\(\left( \text{amu} \right)\). Однією атомною одиницею маси є маса протона, або близько\(1.67 \times 10^{-27}\) кілограмів, що є вкрай малою масою. Нейтрон має трохи більше маси, ніж протон, але його маса часто вважається однією атомною одиницею маси. Оскільки електрони практично не мають маси, майже вся маса атома знаходиться в його протоні і нейтрони. Тому загальна кількість протонів і нейтронів в атомі визначає його масу в одиницях атомної маси (табл.\(\PageIndex{2}\)).

    Розглянемо ще раз гелій. Більшість атомів гелію мають два нейтрони на додаток до двох протонів. Тому маса більшості атомів гелію становить 4 атомні одиниці маси (\(2 \: \text{amu}\)для протонів +\(2 \: \text{amu}\) для нейтронів). Однак деякі атоми гелію мають більше або менше двох нейтронів. Атоми з однаковою кількістю протонів, але різною кількістю нейтронів називаються ізотопами. Оскільки кількість нейтронів може змінюватися для даного елемента, масові числа різних атомів елемента також можуть змінюватися. Наприклад, деякі атоми гелію мають три нейтрони замість двох (вони називаються ізотопами і детально розглядаються далі)

    Чому ви вважаєте, що в «масове число» входять протони і нейтрони, але не електрони? Ви знаєте, що більша частина маси атома зосереджена в його ядрі. Маса атома залежить від кількості протонів і нейтронів. Ви вже дізналися, що маса електрона дуже і дуже мала в порівнянні з масою або протона, або нейтрона (як маса копійки в порівнянні з масою кулі для боулінгу). Підрахунок кількості протонів і нейтронів розповідає вченим про загальну масу атома. Масове число атома дуже легко обчислити за умови, що ви знаєте кількість протонів і нейтронів в атомі. Масове число атома вуглецю з 6 протонами і 7 нейтронами обчислюється і показано наступним чином:

    \[\text{mass number} \: A = \left( \text{number of protons} \right) + \left( \text{number of neutrons} \right) \nonumber \]

    \[\text{mass number} = \text{6} + \text{6} = \text{12} \nonumber \]

    Приклад\(\PageIndex{1}\)

    Яке масове число атома гелію, який містить 2 нейтрони?

    Рішення

    \(\left( \text{number of protons} \right) = 2\)(Пам'ятайте, що атом гелію завжди має 2 протони.)

    \(\left( \text{number of neutrons} \right) = 2\)

    \(\text{mass number} = \left( \text{number of protons} \right) + \left( \text{number of neutrons} \right)\)

    \(\text{mass number} = 2 + 2 = 4\)

    Ізотопи

    Всі атоми одного елемента мають однакову кількість протонів, але деякі можуть мати різну кількість нейтронів. Наприклад, всі атоми вуглецю мають шість протонів, а більшість - шість нейтронів. Але деякі атоми вуглецю мають сім або вісім нейтронів замість звичайних шести. Атоми одного і того ж елемента, що відрізняються за кількістю нейтронів, називаються ізотопами. Багато ізотопів виникають природним шляхом. Зазвичай один або два ізотопи елемента є найбільш стійкими і поширеними. Різні ізотопи елемента, як правило, мають однакові фізико-хімічні властивості. Це тому, що вони мають однакову кількість протонів і електронів.

    Приклад: Ізотопи водню

    Водень - приклад елемента, який має ізотопи. Три ізотопи водню змодельовані на рис\(\PageIndex{4}\). Більшість атомів водню мають лише один протон і один електрон і не мають нейтрона. Ці атоми якраз і називаються воднем. Деякі атоми водню також мають один нейтрон. Ці атоми є ізотопом під назвою дейтерій. Інші атоми водню мають два нейтрони. Ці атоми є ізотопом під назвою тритій.

    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Три найбільш стійких ізотопу водню: протій (A = 1), дейтерій (A = 2) і тритій (A = 3). (CC SA-BY 3.0; Баладжиджагадеш).

    Для більшості елементів, відмінних від водню, ізотопи названі за їх масовим числом. Наприклад, атоми вуглецю зі звичайними 6 нейтронами мають масове число 12 (6 протонів + 6 нейтронів = 12), тому їх називають вуглецем-12. Атоми вуглецю з 7 нейтронами мають атомну масу 13 (6 протонів + 7 нейтронів = 13). Ці атоми є ізотопом під назвою вуглець-13.

    Приклад\(\PageIndex{2}\): Lithium Isotopes
    1. Що таке атомний номер і масове число ізотопу літію, що містить 3 нейтрони.
    2. Що таке атомний номер і масове число ізотопу літію, що містить 4 нейтрони?
    Рішення

    Атом літію містить 3 протони в своєму ядрі незалежно від кількості нейтронів або електронів.

    а.

    \[ \begin{align}\text{atomic number} = \left( \text{number of protons} \right) &= 3 \nonumber \\ \left( \text{number of neutrons} \right) &= 3 \nonumber\end{align} \nonumber \]

    \[ \begin{align} \text{mass number} & = \left( \text{number of protons} \right) + \left( \text{number of neutrons} \right) \nonumber\\ \text{mass number} & = 3 + 3 \nonumber\\ &= 6 \nonumber \end{align}\nonumber \]

    б.

    \[ \begin{align}\text{atomic number} = \left( \text{number of protons} \right) &= 3 \nonumber\\ \left( \text{number of neutrons} \right) & = 4\nonumber\end{align}\nonumber \]

    \[ \begin{align}\text{mass number} & = \left( \text{number of protons} \right) + \left( \text{number of neutrons} \right)\nonumber \\ \text{mass number} & = 3 + 4\nonumber \\ &= 7 \nonumber \end{align}\nonumber \]

    Зверніть увагу, що оскільки атом літію завжди має 3 протони, атомний номер літію завжди дорівнює 3. Масове число, однак, становить 6 в ізотопі з 3 нейтронами, і 7 в ізотопі з 4 нейтронами. У природі існують лише певні ізотопи. Наприклад, літій існує як ізотоп з 3 нейтронами, і як ізотоп з 4 нейтронами, але він не існує як ізотоп з 2 нейтронами або як ізотоп з нейтронами 5.

    \[\begin{alignat*}{3} &[x \mapsto s]x &&= s && \\ &[x \mapsto s]y &&= y \qquad &&\text{als } y\neq x \\ &[x \mapsto s](\lambda(y)t_1) &&= \lambda(y)[x \mapsto s]t_1 \qquad &&\text{als } y \neq x \text{ en } y \not \in FV(s) \\ &[x \mapsto s](t_1 \; t_2)&&= ([x \mapsto s]t_1)\;([x \mapsto s]t_2) && \end{alignat*} \nonumber \]

    Вправа\(\PageIndex{1}\)

    Кількість протонів в ядрі атома олова дорівнює 50, тоді як кількість нейтронів в ядрі - 68. Що таке атомний номер і масове число цього ізотопу?

    Відповідь

    Атомне число = 50, масове число = 118

    Символи для ізотопів

    Існує два основних способи, за допомогою яких вчені часто показують масову кількість атома, який їх цікавить. Важливо відзначити, що масове число не наведено в таблиці Менделєєва. Ці два способи включають написання ядерного символу або надання імені елемента з написаним масовим числом.

    Щоб написати ядерний символ, масове число розміщується вгорі ліворуч (верхній індекс) хімічного символу, а атомний номер розміщується ліворуч внизу (індекс) символу. Повний ядерний символ гелію-4 намальований нижче:

    Ядерний символ гелію-4: Символ елемента - Він, масовий номер вгорі ліворуч - 4, а атомний номер внизу ліворуч - 2

    Наступні ядерні символи призначені для нікелевого ядра з 31 нейтроном і уранового ядра з 146 нейтронами.

    \[\ce{^{59}_{28}Ni} \nonumber \]

    \[ \ce{ ^{238}_{92}U} \nonumber \]

    У нікелевому ядрі, представленому вище, атомний номер 28 вказує на те, що ядро містить 28 протонів, а отже, воно повинно містити 31 нейтрон, щоб мати масове число 59. Ядро урану має 92 протони, як і всі ядра урану, і саме це ядро урану має 146 нейтронів.

    Інший спосіб представлення ізотопів - додавання дефісу та числа маси до хімічної назви або символу. Таким чином, двома ядрами будуть нікель-59 або Ni-59 та Уран-238 або U-238, де 59 та 238 - масові числа двох атомів відповідно. Зверніть увагу, що масові числа (а не кількість нейтронів) задані в сторону назви.

    Один із способів представлення ізотопів: спочатку з'являється символ елемента або ім'я, потім дефіс, потім масове число
    Приклад\(\PageIndex{3}\): POTASSIUM-40

    Скільки протонів, електронів і нейтронів в атомі\(^{40}_{19}\ce{K}\)?

    Рішення

    \[\text{atomic number} = \left( \text{number of protons} \right) = 19 \nonumber \]

    Для всіх атомів без заряду кількість електронів дорівнює числу протонів.

    \[\text{number of electrons} = 19 \nonumber \]

    Масове число, 40 - це сума протонів і нейтронів.

    Щоб знайти кількість нейтронів, відніміть кількість протонів з числа маси.

    \[\text{number of neutrons} = 40 - 19 = 21. \nonumber \]

    Приклад\(\PageIndex{4}\): Zinc-65

    Скільки протонів, електронів і нейтронів в атомі цинк-65?

    Рішення

    \[\text{number of protons} = 30 \nonumber \]

    Для всіх атомів без заряду кількість електронів дорівнює числу протонів.

    \[\text{number of electrons} = 30 \nonumber \]

    Масове число, 65 - це сума протонів і нейтронів.

    Щоб знайти кількість нейтронів, відніміть кількість протонів з числа маси.

    \[\text{number of neutrons} = 65 - 30 = 35 \nonumber \]

    Вправа\(\PageIndex{2}\)

    Скільки протонів, електронів і нейтронів в кожному атомі?

    1. \(^{60}_{27}\ce{Co}\)
    2. На-24
    3. \(^{45}_{20}\ce{Ca}\)
    4. Ср-90
    Відповідь:
    27 протонів, 27 електронів, 33 нейтронів
    Відповідь б:
    11 протонів, 11 електронів, 13 нейтронів
    Відповідь c:
    20 протонів, 20 електронів, 25 нейтронів
    Відповідь d:
    38 протонів, 38 електронів, 52 нейтронів
    Таблиця\(\PageIndex{3}\): Властивості ізотопів перших шести елементів.
    Елемент Символ Атомний номер Кількість протонів Кількість нейтронів Маса (аму) % природного достатку
    водню \(\ce{^1_1H}\)
    (протій)
    1 1 0 1.0078 99.989
    \(\ce{^2_1H}\)
    (дейтерій)
    1 1 1 2.0141 0.0115
    \(\ce{^3_1H}\)
    (тритій)
    1 1 2 3.01605 — (трасування)
    гелій \(\ce{^3_2He}\) 2 2 1 3.01603 0.00013
    \(\ce{^4_2He}\) 2 2 2 4.0026 100
    літію \(\ce{^6_3Li}\) 3 3 3 6.0151 7.59
    \(\ce{^7_3Li}\) 3 3 4 7.0160 92.41
    берилій \(\ce{^9_4Be}\) 4 4 5 9.0122 100
    бор \(\ce{^{10}_5B}\) 5 5 5 10.0129 19.9
    \(\ce{^{11}_5B}\) 5 5 6 11.0093 80.1
    вуглецю \(\ce{^{12}_6C}\) 6 6 6 12.0000 98.89
    \(\ce{^{13}_6C}\) 6 6 7 13.0034 1.11
    \(\ce{^{14}_6C}\) 6 6 8 14.0032 — (трасування)

    Резюме

    • Атом складається з дискретних частинок, які керують його хімічною та фізичною поведінкою.
    • Кожен атом елемента містить однакову кількість протонів, що є атомним номером (Z).
    • Нейтральні атоми мають однакову кількість електронів і протонів.
    • Атоми елемента, що містять різну кількість нейтронів, називаються ізотопами.
    • Кожен ізотоп даного елемента має однаковий атомний номер, але різне масове число (A), яке є сумою чисел протонів і нейтронів.
    • Відносні маси атомів повідомляються за допомогою одиниці атомної маси (amu), яка визначається як одна дванадцята маси одного атома вуглецю-12, з 6 протонами, 6 нейтронами та 6 електронами. Ядерна модель атома складається з невеликого і щільного позитивно зарядженого інтер'єру, оточеного хмарою електронів.

    Автори та атрибуція