Глава 4. § 61. Состав атомного ядра. Ядерные силы — с. 295
§ 61. Вопрос 1. Как называют протоны и нейтроны вместе?
Протоны и нейтроны, составляющие ядро атома, вместе называют нуклонами (от лат. nucleus — ядро).
§ 61. Вопрос 2. Что называют массовым числом?
Что можно сказать о числовом значении массы атома (в а. е. м.) и его массовом числе?
Массовое число A — общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре. Масса атома (ядра), выраженная в а. е. м., приблизительно равна массовому числу, т. е. совпадает с ним после округления до целых чисел, так как масса каждого нуклона примерно 1 а. е. м. Например, для азота ¹⁴₇N A = 14 и m ≈ 14 а. е. м.
§ 61. Вопрос 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?
Зарядовое число Z — число протонов в ядре. Оно численно равно заряду ядра, выраженному в элементарных электрических зарядах, и равно порядковому (атомному) номеру элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева. Например, для азота Z = 7, для урана Z = 92.
§ 61. Вопрос 4. Как связаны между собой массовое число, зарядовое число и число нейтронов в ядре?
Массовое число равно сумме числа протонов и числа нейтронов: A = Z + N, где Z — зарядовое число, N — число нейтронов. Отсюда N = A − Z.
§ 61. Вопрос 5. Как на основе протонно-нейтронной модели ядра объяснить существование ядер с одинаковыми электрическими зарядами и различными массами?
Ядра с одинаковым зарядом содержат одинаковое число протонов, но могут содержать разное число нейтронов. Поэтому их массовые числа и массы различны. Такие атомы (изотопы) занимают одну клетку таблицы Менделеева. Например, у водорода три изотопа: протий ¹₁H (нейтронов нет), дейтерий ²₁H (1 нейтрон), тритий ³₁H (2 нейтрона).
§ 61. Вопрос 6. Как объяснить устойчивость атомного ядра?
Какое предположение пришлось сделать учёным для ответа на этот вопрос?
Положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга электрическими силами, но ядро не распадается. Силы гравитационного притяжения слишком малы, чтобы удержать нуклоны. Поэтому учёные предположили, что между всеми нуклонами в ядре действуют особые силы притяжения, значительно превосходящие электрические силы отталкивания протонов. Эти силы назвали ядерными, и именно они обеспечивают устойчивость ядра.
§ 61. Вопрос 7. Как называют силы притяжения между нуклонами в ядре и каковы их характерные особенности?
Это ядерные силы. Они короткодействующие: на расстоянии 10⁻¹⁵ м они примерно в 100 раз больше электрических сил, но уже на расстоянии 10⁻¹⁴ м становятся ничтожно малыми. То есть ядерные силы действуют на расстояниях, сравнимых с размерами самих ядер, и действуют между всеми нуклонами.
§ 61. Вопрос для обсуждения. Как вы думаете, действуют ли между нуклонами в ядре атома силы гравитационного притяжения (т. е. силы всемирного тяготения)?
Ответ обоснуйте.
Да, действуют: сила всемирного тяготения существует между любыми телами, имеющими массу, в том числе между нуклонами. Но она ничтожно мала. Оценим для двух протонов на расстоянии r = 10⁻¹⁵ м: F_грав = G·m²/r² = 6,67·10⁻¹¹ · (1,67·10⁻²⁷)² / (10⁻¹⁵)² ≈ 2·10⁻³⁴ Н, а электрическая сила отталкивания F_эл = k·e²/r² = 9·10⁹ · (1,6·10⁻¹⁹)² / (10⁻¹⁵)² ≈ 2,3·10² Н. Гравитационная сила примерно в 10³⁶ раз меньше электрической, поэтому она не может удерживать нуклоны вместе и роли в устойчивости ядра не играет; ядро держится ядерными силами.
§ 61. Упражнение 48.
1. Сколько нуклонов в ядре атома бериллия ⁹₄Be?
Сколько в нём протонов; нейтронов?
Массовое число A = 9 — это число нуклонов. Число протонов равно зарядовому числу: Z = 4. Число нейтронов N = A − Z = 9 − 4 = 5.
Ответ: 9 нуклонов, из них 4 протона и 5 нейтронов.
Ответ: 9 нуклонов, из них 4 протона и 5 нейтронов.
§ 61. Упражнение 48.
2. Для атома калия ³⁹₁₉K определите: а) зарядовое число; б) число протонов; в) порядковый номер в таблице Д. И. Менделеева; г) число нуклонов; д) число нейтронов.
Для ³⁹₁₉K массовое число A = 39, зарядовое число Z = 19.
а) зарядовое число Z = 19;
б) число протонов равно Z, т. е. 19;
в) порядковый номер в таблице Менделеева равен Z, т. е. 19;
г) число нуклонов равно A = 39;
д) число нейтронов N = A − Z = 39 − 19 = 20.
а) зарядовое число Z = 19;
б) число протонов равно Z, т. е. 19;
в) порядковый номер в таблице Менделеева равен Z, т. е. 19;
г) число нуклонов равно A = 39;
д) число нейтронов N = A − Z = 39 − 19 = 20.
§ 61. Упражнение 48.
3. Определите с помощью таблицы Д. И. Менделеева, атом какого химического элемента имеет: а) 3 протона в ядре; б) 9 электронов.
а) Число протонов равно порядковому номеру элемента. Номер 3 имеет литий (Li).
б) Атом электрически нейтрален, поэтому число электронов равно числу протонов, т. е. порядковому номеру. Номер 9 имеет фтор (F).
Ответ: а) литий; б) фтор.
б) Атом электрически нейтрален, поэтому число электронов равно числу протонов, т. е. порядковому номеру. Номер 9 имеет фтор (F).
Ответ: а) литий; б) фтор.