Какие изменения произойдут с ядром атома ксенона если оно утратит один нейтрон

Опубликовано: 18.05.2024

Атомная физика — один из труднейших разделов экзамена, а задания по этой теме кочуют из варианта в вариант каждый год. Не пугаемся! Для решения заданий ОГЭ на радиоактивность, распады и ядерные реакции нужно знать лишь самые базовые понятия. Из этой статьи вы узнаете все необходимое — атомная физика на ОГЭ обязательно вам покорится!

Чтобы перейти к практике и научиться решать хитрые задания, сначала нужно вспомнить теорию, связанную с ними.

Вспомним, что химические элементы обозначаются в виде , где

X – название химического элемента
А – массовое число, равное сумме протонов и нейтронов
Z – зарядовое число, равное числу протонов в ядре

Давайте раз и навсегда узнаем, что скрывается за числами рядом с названием каждого элемента. Рассмотрим пример углерода:

Какие ядерные распады нужно знать?

На ОГЭ часто встречаются три типа распадов: альфа, бета и гамма.

Альфа-распад

α-распад — испускание ядром альфа-частицы. Что это такое? Все просто — так называют ядро атома гелия, то есть частицу из двух протонов и двух нейтронов.

У нас был элемент X с массовым числом A и с зарядовым числом Z
Атом испускает альфа-частицу с массовым числом=4 и зарядовым числом=2
Мы получаем новый элемент с массовым числом=A-4 и зарядовым числом=Z-2

В α-распаде заряд уменьшается на 2, а масса уменьшается на 4.

Самостоятельно подготовиться к ОГЭ непросто. На то, чтобы разобраться со всеми темами, понадобится много времени. Но и это не решит проблему! Например, если вы запомнили какое-то решение из интернета, а оно оказалось неправильным, можно на пустом месте потерять баллы. Если хотите научиться решать все задания ОГЭ по физике, обратите внимание на онлайн-курсы MAXIMUM! Наши специалисты уже проанализировали сотни вариантов ОГЭ и подготовили для вас вас максимально полезные занятия.

Приходите к нам на пробный урок! Вы узнаете всю структуру ОГЭ-2021, разберете сложные задания из первой части, получите полезные рекомендации и узнаете, как устроена подготовка к экзаменам в MAXIMUM. Все это абсолютно бесплатно!

Задача №1

Используя фрагмент Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, представленный на рисунке, определите, какое ядро образуется в результате α-распада ядра нептуния-237.

Разбор

Ответ: 1) Ядро протактиния

Изотопы

237-231=6

Время бить тревогу! Неужели мы что-то напутали и решили задачу неверно? Но нет, оказывается, мы все сделали правильно — ведь у протактиния более 15 изотопов.

Изотопы — это разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковое зарядовое число, но разные массовые числа.

Например, изотопы азота:

Задача №2

Ядро тория превратилось в ядро радия . Какую частицу испустило при этом ядро тория?

нейтрон
протон
альфа-частицу
бета-частицу

Разбор

Сверху находится массовое число — масса частицы. Вычтем из массы Тория массу Радия: 230-226=4. Получили массу неизвестной частицы.
Снизу находится зарядовое число — это заряд неизвестной частицы. Вычтем из заряда Тория заряд Радия: 90-88=2. Получили заряд неизвестной частицы.
Итого: массовое число = 4. Зарядовое число = 2
Взглянем на табличку самых распространенных частиц.

Вуаля! Наша незнакомка — это альфа-частица — частица с двумя протонами и двумя нейтронами.

Ответ: 3) альфа-частица

Бета-распад

β-распад — испускание ядром бета-частицы. Бета-частицей называют электрон. Посмотрим в списке основных частиц наверху, чему равны массовое и зарядовое число бета-частицы (электрона).

У нас был элемент X с массовым числом A и с зарядовым числом Z
Атом испускает бета-частицу с массовым числом=0 и зарядовым числом=-1
Мы получаем новый элемент с прежним массовым числом=A и зарядовым числом=Z+1

В β-распаде заряд увеличивается на 1, а масса не меняется.

Задача №3

Изотоп криптона в результате серии распадов превратился изотоп молибдена . Сколько β-частиц было испущено в этой серии распадов?

Разбор

Обозначим количество испущенных β-частиц за N
Зарядовое число криптона до серии β-распадов равнялось 36
Зарядовое число молибдена после серии β-распадов 42
Тогда 42-36=6 β распадов

Ответ: было испущено 6 β распадов

Задача №4

Радиоактивный атом превратился в атом в результате цепочки альфа- и бета-распадов. Чему было равно число альфа- и бета-распадов?

Разбор

Эта задача требует максимальной концентрации — многие школьники ее решают неверно. Давайте разберем правильный подход к этой задаче.

Для начала рассмотрим альфа-распады

Добьемся, чтобы массовое число изменилось с 232 до 208. Для этого производим альфа-распады, вычитая 4 из массового числа и 2 из зарядового числа.

Получили элемент с массовым числом=208 и зарядовым числом=78. Для этого мы произвели 6 альфа распадов.

Теперь перейдем к бета-распадам. Бета-распады влияют только на зарядовое число.

Добьемся того, чтобы зарядовое число изменилось с 78 до 82.

Получили элемент с массовым числом = 208 и зарядовым числом = 82. Для этого мы произвели 4 бета распада.

Ответ: 6 альфа распадов и 4 бета распада.

Гамма-распад

Элемент X до распада и элемент Y после распада — это одно и то же.

Внимание! На ОГЭ ученики часто попадают в ловушки экзамена, считая, что ? излучение меняет элемент. Но это совсем не так! Какой элемент был до гамма-распада, такой и останется.

При ?-распаде заряд и масса не меняются.

Ядерные реакции

Атомная физика на ОГЭ включает в себя не только распады, но и ядерные реакции. Ядерные реакции происходят при столкновении ядер или элементарных частиц с другими ядрами. В результате изменяется массовое и зарядовое число элементов, появляются новые частицы.

Во всех ядерных реакциях работает очень простой лайфхак: при протекании ядерной реакции сохраняется суммарное массовое число и суммарный заряд.

Сумма масс слева равна сумме масс справа: A₁+A₂=A₃+A₄.

Сумма зарядов слева равна сумме зарядов справа: Z₁+Z₂=Z₃+Z_4.

Сразу же закрепим эти правила на практике.

Задача 5

В результате столкновения ядра урана с частицей X произошло деление урана, описываемое реакцией:

Определите зарядовое и массовое числа частицы X, с которой столкнулось ядро урана.

Разбор

Сначала разберемся с массовым числом. Используем лайфхак: то, что слева, равно тому, что справа.
Также заметим, что у нас 3 нейтрона. Получается, нам нужно умножить массовое число нейтрона на 3.
С гамма-частицей разобраться легко — как мы показали ранее, она ни на что не влияет.

Теперь настал черед зарядового числа.

Ответ: получили элемент X c массовым числом 40 и зарядовым числом 0.

Атомная физика на ОГЭ: что нужно запомнить?

В α-распаде заряд уменьшается на 2, а масса уменьшается на 4.
α-частица — это ядро атома гелия. α-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов.
В β-распаде заряд увеличивается на 1, а масса не меняется.
β-частица — это электрон.
В ?-распаде заряд и масса не меняются.
?-частица — это порция электромагнитного излучения.
Изотопы — это разновидности атомов (и ядер) какого либо химического элемента, которые имеют одинаковое зарядовое число, но разные массовые числа.
В ядерных реакциях сохраняется суммарное массовое число и суммарный заряд.

Теперь вы знаете, как решать задания на ядерные распады и реакции! Надеюсь, атомная физика на ОГЭ стала для вас намного понятнее. Если хотите разобраться в остальных темах по физике и не только, обратите внимание на наши онлайн-курсы. Уже более 150 тысяч выпускников подготовились с нами к ОГЭ и ЕГЭ. Кстати, у меня на курсах MAXIMUM тоже можно поучиться! Приходите на бесплатный пробный урок, чтобы познакомиться с нашей образовательной системой и узнать массу полезного про ОГЭ.

Для некоторых атомов характерной особенностью является возможность захвата атомным ядром одного из ближайших к нему электронов из электронной оболочки атома. Как изменяются масса ядра и число протонов в ядре при захвате ядром электрона?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Масса ядра

Число протонов в ядре

При захвате ядром атома электрона протон взаимодействует с электроном в результате чего образуется нейтрон. Массовое число атома при этом не изменяется, но масса нейтрона чуть больше массы протона, поэтому масса ядра увеличивается. Число протонов в ядре при таком захвате уменьшается на единицу.

Непонятно, почему, если в ядро попадает электрон и взаимодействует с протоном, то образуется нейтрон? Можно какой-нибудь источник, в котором можно почитать об этом?

Как число протонов может уменьшиться? Вроде как уменьшится суммарный заряд из-за влетевшего электрона, но число протонов останется прежним. Протон - это же частица, он так и останется в ядре, просто его положительному заряду будет противопоставлен отрицательный заряд электрона, и суммарный заряд этих двух частиц станет равным нулю

Я в википедии нашел ответ на свой вопрос. Это явление называется электронным захватом. Но появился другой вопрос. В ответе к заданию написано, что масса ядра увеличилась. А в википедии сказано что масса не меняется:

"При электронном захвате один из протонов ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино. Заряд ядра при этом уменьшается на единицу. Массовое число ядра, как и во всех других видах бета-распада, не изменяется. Этот процесс характерен для протонноизбыточных ядер."

Какая-то путаница, почему тут написано еще что это бета-распад, если электрон попадает в ядро, а не вылетает из него?

Протон захватывает электрон и превращается в нейтрон. Можно сказать, частица так и остаётся в ядре, превращаясь из протона в нейтрон.

Массовое число ядра равно количеству протонов и нейтронов в ядре, но поскольку масса нейтрона больше массы протона, то при замене протона нейтроном масса ядра увеличивается.

Бета-распад — это, наоборот, испускание электрона. И при захвате, и при испускании электрона массовое число ядра не изменяется.

В общем, масса и массовое число — не одно и то же. Возможны ситуации (бета-распад, захват электрона), когда масса ядра меняется, а его массовое число остаётся неизменным.

В предыдущей статье в «Квантике» № 8 за этот год мы выяснили, что происходит с атомными ядрами таких изотопов, у которых «неправильное» соотношение числа протонов и нейтронов. Но чем определяется, какое именно соотношение правильное? И почему нет устойчивых тяжёлых ядер?

Попробуем ответить (приблизительно, потому что точного ответа на первый из этих вопросов нет даже у специалистов). Причиной распада ядер всегда, конечно, оказывается недостаточно крепкая связь нуклонов, которые держатся друг за дружку ядерными силами. «Отбившийся от стада», недостаточно крепко удерживаемый нейтрон норовит распасться, превратиться в протон с электроном (бета-распад, слабое взаимодействие); а если слишком много протонов, они разламывают ядро на части электрическим отталкиванием (альфа-распад или раскол ядра на крупные части) 1 . Но чем же спасёт замена части протонов нейтронами или, наоборот, почему от этого ядро станет более устойчивым? Ведь сильное взаимодействие вроде бы не различает протоны и нейтроны, сильные силы действуют на них одинаково.

Ну, во-первых, это не совсем так. Действительно, ядерные силы между двумя протонами и между двумя нейтронами совершенно одинаковы. Но вот протон к нейтрону притягивается чуть-чуть сильнее, чем одинаковые нуклоны друг к другу.

Во-вторых, жизнь нуклонов в ядре организована хоть и гораздо сложнее, но всё-таки похоже на жизнь электронов в атоме: у них тоже есть «этажи» с «комнатами», и в одной комнате могут жить не больше двух нуклонов каждого вида 2 . То есть, например, два протона и два нейтрона ещё прекрасно могут все дружно жить в самой нижней, самой лучшей «комнате» (узнаёте? — это и есть ядро гелия, очень прочное ядро!). А, скажем, один из трёх нейтронов всегда обречён уйти в другую «комнату», на следующий «этаж», и если он будет скучать там наверху один, без протона — ядерных сил не хватит, чтобы его удержать от распада. Впрочем, два нейтрона без протона в одной нижней «комнате» тоже не спасутся от слабого взаимодействия — не бывает ядра из двух нейтронов.

В-третьих, электрические силы убывают с расстоянием. Если расстояние между протонами увеличить в 2 раза, они станут отталкиваться в 4 раза слабее. А если расстояние увеличить в три раза — сила отталкивания уменьшится в 9 раз. И так далее. Так что нейтроны нужны для «разбавления» протонов. В гелии-4, например, два протона находятся «на дальних концах ядра», а два нейтрона — между ними. А в более тяжёлых ядрах протоны и нейтроны образуют пёструю, довольно близкую к шахматной, мозаику.

Почему же тогда нельзя при том же количестве протонов взять в два, в три, в пять раз больше нейтронов? Ну и что, что они друг к другу притягиваются слабее, чем к протонам, зато их будет очень много, и все вместе они уж будут крепко друг друга держать. — чем плохо?

Плохо тем, что ядро получится слишком большое. И вот тут нужно сказать про ещё одно очень важное свойство сильного (да и слабого тоже) взаимодействия: оно короткодействующее. Электрические силы, если отойти в два раза дальше, убывают в 4 раза — с какого расстояния ни начинай: хоть с микрона, хоть с метра. Сильные — тоже ведут себя похожим образом, но только до тех пор, пока расстояния меньше 10 −15 м (одной тысячемиллиардной миллиметра) — это размер небольшого ядра. А как только расстояние между нуклонами становится больше этой величины, сила притяжения между ними начинает падать со страшной быстротой, и не успеете вы отойти ещё в два раза дальше — она уже уменьшится не в 4, а, скажем, в тысячу раз. То есть если две частицы находятся друг от друга дальше, чем эти самые 10 −15 м, то сильное взаимодействие между ними практически равно нулю. А электрическое — вовсе нет!

Поэтому добавление каждого нового протона увеличит электрическое отталкивание, действующее на протон «на другом краю ядра», а добавление новых нейтронов, начиная с некоторого их количества, никак не увеличит действующее на него сильное притяжение!

Итак, пока ядро небольшое, добавить к уже готовому устойчивому ядру один протон, может, и можно, но страшновато: вдруг новое добавленное отталкивание пересилит новое притяжение, и ядро развалится? А добавить протон вместе с нейтроном — гораздо спокойнее: вдвоём они уж наверно будут притягивать любой дальний протон сильнее, чем отталкивать. И поскольку каждая новая пара протон-нейтрон притягивает чуть сильнее, чем отталкивает, с увеличением числа нуклонов ядро становится только прочнее.

Но это только до тех пор, пока размер ядра не превысит радиус действия сильных сил. А дальше добавление каждого нового протона всё сильнее портит ситуацию: электрическое отталкивание из-за него усиливается, а сильное притяжение уже увеличиться не может, — сколько новых нейтронов ни добавляй, они оказываются слишком далеко! Приходится всё-таки напихивать в ядро всё больше нейтронов, но не чтобы увеличить притяжение, а чтобы хоть чуть-чуть уменьшить отталкивание, «разбавив» протоны нейтронами и отодвинув их подальше друг от друга. Понятно, что это удаётся только отчасти — ведь если протонов мало, нейтроны норовят распасться из-за слабых сил. И чем больше такое «рыхлое» ядро, тем хуже оно держится.

Из всей этой истории люди научились извлекать большую практическую пользу — а также большой вред. Дело в том, что, когда большое и непрочное ядро разваливается на более прочные части, высвобождается энергия. Это вообще случается, когда какая-то вещь меняет своё положение на более надёжное и устойчивое. Например, если книжка упала со стола на пол — раздаётся хлопок: это энергия, выделившаяся при падении книжки, передалась воздуху и создала звуковую волну. К сожалению, эта энергия может ещё потратиться на разрывание листов бумаги. Вода в водопаде так разгоняется при падении, что её энергии хватает на вращение тяжёлых турбин гидроэлектростанции. Вот и энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, можно использовать. Это и делается в ядерных реакторах: энергия распадающихся ядер нагревает воду, вращает турбины, создаёт электрический ток или приводит в действие двигатель подводной лодки.

Только вот ждать, когда ядра сами собой распадутся, людям неудобно: работа реактора ведь тогда будет не очень предсказуемой. Поэтому непрочным ядрам, которые так, может, прожили бы ещё десяток миллионов лет, помогают распасться, легонько стукая по ним нейтроном. Это — вынужденное деление. А чтобы процесс удобно было контролировать, да к тому же не пришлось всё время добывать нейтроны для обстрела, выбирают такие ядра, в которых при вынужденном делении образуются новые свободные нейтроны. Например, подходит изотоп урана-235:

Видите — в ядро попал один нейтрон, а после распада вылетело уже два. Да ещё оба осколка — нестабильные изотопы, при их распаде ещё пара нейтронов может вылететь. Высвобождающиеся при реакции нейтроны попадают в следующее ядро, вызывая его деление. Это называется цепной реакцией. Регулируя количество (и скорость) летающих по реактору нейтронов, можно управлять его работой — увеличивать или уменьшать количество распадов. Тот же принцип цепной реакции деления, только без особенного контроля, работает и в атомной бомбе.

Тяжёлые ядра, распадаясь, выделяют энергию, потому что переходят в более устойчивое состояние — в виде меньших ядер с более плотной и прочной упаковкой. Но у лёгких ядер, как мы видели, наоборот — чем больше ядро, тем прочнее. Поэтому энергию можно получать и при соединении — слиянии — лёгких ядер. И даже такой способ гораздо эффективнее — при той же массе топлива энергии выделяется намного больше. Вот только реализовать этот способ гораздо сложнее: если тяжёлые ядра и сами по себе распадаются (им надо только помочь и немного их «организовать»), то лёгкие ядра сами по себе не соединяются — им мешает электрическое отталкивание, ведь у них заряд одного знака. Чтобы «слиться», им надо сначала сблизиться друг с другом на очень маленькое расстояние, на котором начнут действовать ядерные (сильные) силы. Для этого их надо очень сильно разогнать друг навстречу другу. Разогнать и столкнуть пару ядер — для нас не проблема, но нужно, чтобы таких пар было много. Такое возможно, только если очень сильно нагреть вещество (до десятков или сотен миллионов градусов!). А справляться с такой температурой мы не умеем — в какой контейнер положить такое горячее топливо, чтобы не расплавились стенки. Да и контролировать ситуацию при такой температуре очень трудно. Поэтому пока человечество научилось использовать энергию термоядерного синтеза только в водородной бомбе. Но, может быть, ещё научимся.

То, что пока не получается у людей, прекрасно удаётся звёздам! Там ведь как раз подходящая температура и очень много лёгких ядер. Собственно, звёзды — это гигантские термоядерные реакторы, в которых происходит синтез гелия из водорода, углерода из гелия, железа из углерода. Они оттого и светятся — это выделяется освобождающаяся при ядерных реакциях энергия. А попутно в небольших количествах образуются — за компанию — и более тяжёлые ядра. Все ядра атомов тяжелее гелия образовались в звёздах! Так что вещество, из которого все мы состоим, когда-то было в недрах какой-то звезды.

Художник Мария Усеинова

1 А может быть, один из протонов тоже «воспользуется» слабым взаимодействием и превратится в нейтрон — путём захвата электрона или излучения позитрона.

2 Этот факт, как и разница между n–n и p–n взаимодействиями — следствие принципа запрета Паули, который мы здесь обсуждать не будем.

Факт, ставящий в тупик многих из тех, кто впервые изучает природу обычной материи – то, что в ядре любого атома тяжелее водорода содержатся как протоны, так и нейтроны, но при этом нейтроны распадаются (дезинтегрируются в другие частицы) в среднем за 15 минут! Как же могут ядра углерода, кислорода, азота, кремния быть настолько стабильными, если нейтроны, из которых они состоят, не могут выживать сами по себе?

Ответ на этот вопрос оказывается очень простым после того, как вы поймёте, как работает энергия: это чистая бухгалтерия. Но понять энергию вовсе не просто. Для начала нужно прочесть статью о видах энергии. А до этого необходимо ознакомиться со статьёй об энергии, импульсе и массе. Эти концепции нужно представлять перед тем, как понять ответ на заданный вопрос.

Если вы прочли статью об энергии взаимодействия, вы знаете, что атом водорода состоит из протона и электрона, которые, из-за отрицательной энергии связи, неспособны убежать друг от друга – они заперты внутри атома. Отрицательная энергия связи происходит из отрицательной энергии взаимодействия, частично сбалансированной положительной энергией движения электрона (и немного – протона). Энергия взаимодействия происходит из воздействия электрона на электрическое поле близ протона (и наоборот).

В этой статье я объясню, почему нейтрон стабилен в следующем по простоте ядре атома: дейтроне, ядре «тяжёлого водорода» или «дейтерия». Дейтрон состоит из одного нейтрона и одного протона – в принципе просто, и не слишком отличается от атома водорода с одним электроном и одним протоном. Поняв, почему нейтрон стабилен в дейтроне, вы поймёте основной принцип, по которому нейтроны могут быть стабильны внутри всех стабильных ядер. Суть в следующем: энергия взаимодействия протонов и нейтронов отрицательная, и достаточно большая, поэтому в некоторых ядрах распад нейтрона привёл бы к росту энергии системы (состоящей остатков ядра после его распада и всех испущенных при распаде частиц), что нарушило бы закон сохранения энергии. Поскольку энергия должна сохраняться, распад невозможен.

Не буду описывать взаимодействие нейтрона с протоном, поскольку за это отвечает сильное взаимодействие, гораздо более сложное, чем электрическое (и магнитное) взаимодействия между протоном и электроном, составляющими атом водорода. Частично эта сложность объясняется составным характером взаимодействия – это немного похоже на то, как электромагнитное взаимодействие может связывать два атома водорода в молекулу водорода, хотя оба атома электрически нейтральны. Но некоторые важные детали эта аналогия не охватывает. Ядерная физика – это отдельная тема.

Рис. 1

К счастью, нам эти сложности не нужны. Нам нужно знать, что эти силы создают отрицательную энергию взаимодействия для системы из протона, нейтрона и различных сложных полей, позволяющих им влиять друг на друга. В результате получается стабильный дейтрон. Так же, как атом водорода не может внезапно распасться на электрон и протон, дейтрон не может внезапно распасться на нейтрон и протон.

Это не означает, что дейтрон или атом водорода нельзя уничтожить. Можно «ионизировать» атом водорода (выбить электрон у протона), если добавить внешнюю энергию – в виде, допустим, достаточно энергичного фотона. Тот же метод можно использовать для разбивания дейтерия и выбивания нейтрона у протона. Но энергию для этого нужно получить вне системы; ни водород, ни дейтрон самостоятельно распадаться не будут.

Нейтрон может распадаться

Давайте вспомним необходимое (но не достаточное) условие для распада объекта – масса начального объекта должна превосходить сумму масс объектов, на которые он распадается. Откуда берётся это условие? Из закона сохранения энергии. Скоро мы увидим, как и почему (как обычно, под массой я понимаю «массу покоя»).

Рис. 2

Проверим, что это условие выполняется для нейтрона, который может распадаться на протон, электрон и электронное антинейтрино. Распад показан на рис 2; нейтрон спонтанно превращается в три эти частицы. Нейтрон и протон на самом деле больше по размеру, чем электрон и антинейтрино – хотя рисунок всё равно сделан не в масштабе. Диаметр нейтрона или протона составляет примерно одну миллиардную триллионной доли метра (в 100 000 раз меньше атома), а про диаметр электрона или нейтрино известно, что он как минимум ещё в 1000 раз меньше этого.

На рис. 3 изображена энергетическая бухгалтерия (см. рис. 1). До распада нейтрона энергия всей системы равна энергии массы (E = mc 2 ) нейтрона. Масса нейтрона равна 0,939565… ГэВ/c 2 .

Многоточие говорит о том, что это не точное значение, но пока нам не нужна большая точность. Значит, энергия массы нейтрона

После распада нейтрона какой будет энергия всей системы? Поскольку энергия сохраняется, а извне энергии не поступало, то энергия системы будет равна тому же самому — 0,939565… ГэВ!

Но как она распределится?

Во-первых, у нас не будет энергии взаимодействия. Это не очевидно, но очень важно. Когда протон, электрон и антинейтрино разлетаются, энергия их взаимодействия становится пренебрежимо малой.

Во-вторых, у каждой из частиц есть энергия массы. Сколько её там?
• Энергия массы протона – 0,938272… ГэВ.
• Энергия массы электрона – 0,000511… ГэВ.
• Энергией массы антинейтрино можно пренебречь, настолько она мала.

И это хорошо, поскольку масса нейтрино нам пока неизвестно. Мы знаем, что она, по крайней мере, гораздо меньше, чем 0,000001 ГэВ.

Итоговая масса-энергия получается равной

(0,938272… + 0,000511… + 0,000000…) ГэВ = 0,938783… ГэВ

Что меньше энергии массы нейтрона, с которой мы начали, на 0,000782… ГэВ. Пока что мы не видим, как она сохраняется. Энергия массы нейтрона не полностью превратилась в энергию массы протона, электрона и нейтрино. Излишки энергии на рис. 3 показаны жёлтым.

Рис. 3

Разницу можно восполнить при помощи энергии движения. Она всегда положительна. Нам нужно только распределить лишние 0,000782… ГэВ между движениями частиц так, чтобы сохранялся импульс системы (поверьте мне, это возможно). Тогда энергия будет сохранена, поскольку энергия массы нейтрона превратилась в энергию массы и энергию движения протона, электрона и нейтрино.

Я не указал точное количество энергии движения, отошедшее протону, электрону и нейтрино, поскольку в каждом из случаев распада нейтрона энергия будет распределяться по-разному, просто случайным образом (такова квантовая механика). Только общая энергия движения будет всегда одной и той же, 0,000782… ГэВ.

Дейтрон стабилен

Вернёмся к дейтрону. Общая энергия дейтрона, как и у атома водорода, состоит из положительной энергии массы двух его составляющих (протона и нейтрона), положительной энергии движения двух составляющих, и отрицательной энергии взаимодействия, с лихвой покрывающей энергию движения. Более того, как и для любой частицы или системы, масса дейтрона будет равной его общей энергии (точнее – общей энергии, которую вы измеряете, когда он не двигается относительно вас), делённой на с 2 , квадрат скорости света. Соответственно, если дейтрон относительно вас покоится, на основе его измеренной массы, равной 1,875612… ГэВ/с 2 , можно сказать, что его энергия равна

Энергия массы дейтрона = 1,875612… ГэВ =
• Энергия массы протона + энергия массы нейтрона,
• Энергия движения протона + энергия движения нейтрона,
• Энергия взаимодействия (отрицательная, и больше по модулю, чем энергия движения).

< энергия массы протона + энергия массы нейтрона

= 0,938272… ГэВ+ 0,939565… ГэВ = 1,877837… ГэВ

Поэтому энергия связи дейтрона равна

1,875612… ГэВ – 1,877837… ГэВ = -0,002225… ГэВ

Рис. 4

Отрицательная энергия связи означает, как и в случае с атомом водорода, что дейтрон не может просто развалиться на нейтрон и протон, как показано на рис. 4. Это нарушило бы сохранение энергии, утверждающее, что распадающаяся частица должна быть более массивной, чем частицы, на которые она распадается. Как показано на рис. 5, энергию никак не сохранишь. У нейтрона и протона больше энергии массы, чем у дейтрона, и нет никакого источника отрицательной энергии, способного погасить дефицит энергии, поскольку энергии взаимодействия между далеко разнесёнными протоном и нейтроном нет, а энергия движения отрицательной не бывает. Это значит, что процесс на рис. 4 произойти не может.

Рис. 5

Нейтрон внутри дейтрона не может распаться

Остался один шаг, и он, по сравнению с предыдущими, довольно простой. Вопрос в следующем: почему нейтрон не может распадаться внутри дейтрона?

Допустим, он распался: что останется? Тогда у нас будет два протона, электрон и антинейтрино; см. рис. 6. Два протона отталкиваются – у них положительный электрический заряд, и электрическая сила расталкивает их. Сильное ядерное взаимодействие, пытающееся притянуть их вместе, не такое сильное, как у нейтрона с протоном, и суммарное действие двух сил будет отталкивающим. В результате это взаимодействие будет расталкивать протоны. А электрон и антинейтрино тем временем также покинут место действия.

Рис. 6

Когда все четыре частицы будут далеко друг от друга (как грубо показано на рис. 6, но представьте, что они разлетелись ещё дальше), не будет никакой значительной энергии взаимодействия между ними. Энергия системы будет состоять только из суммы энергий масс частиц и энергий движения. Поскольку энергия движения всегда положительна, минимальная энергия, которую смогут иметь частицы, будет равной сумме их энергий масс. Но эта энергия больше, чем энергия массы дейтрона (рис. 7)! Даже энергия массы двух протонов, 1,876544… ГэВ уже больше энергии массы дейтрона. А дополнительные 0,000511 ГэВ только сыплют соль на рану.

Поэтому нейтрон внутри дейтрона не может распасться; энергия взаимодействия, удерживающая дейтрон, тянет его массу вниз – достаточно низко для того, чтобы распад нейтрона внутри дейтрона нарушал сохранение энергии!

Рис. 7

Другие атомные ядра

И так происходит со всеми стабильными ядрами в природе. Но не надо думать, что всегда, когда вы комбинируете нейтроны и протоны, в результате получается стабильное ядро! Стабильные ядра крайне редки.

Если вы возьмёте Z протонов и N нейтронов и попробуете сделать из них ядро, то для большей части вариантов Z и N у вас ничего не получится. Большинство таких ядер мгновенно распадутся, они вообще не сформируются. Грубо говоря, сила притяжения между Z протонами и N нейтронами сильнее всего тогда, когда Z примерно равно N. С другой стороны, протоны отталкиваются друг от друга из-за электромагнитного взаимодействия. Эта сила увеличивается при увеличении Z. Соревнование двух этих эффектов предполагает, что ядро скорее всего будет стабильным, когда Z немного меньше N; и чем больше Z и N, тем больше должна быть разница между Z и N. Это видно на рис. 8. Стабильны только ядра, отмеченные чёрным; они располагаются в том, что поэтически называют «долиной стабильности».

А что за ядра, обозначенные цветом? Оказывается, что существует довольно много ядер, которые всё-таки распадаются, но могут жить довольно долго. Часто мы зовём такие объекты «нестабильными», а те, что живут достаточно долго – «метастабильными». Использование слов зависит от контекста. Нейтрон живёт 15 минут. Есть ядра, живущие несколько миллисекунд, дней, десятилетий, тысячелетий и даже миллиардов лет. Эти ядра мы называем радиоактивными; это опасные последствия случаев с участием радиации или оружия, и инструменты, используемые в детекторах дыма и для борьбы с раком, в числе прочего.

Есть куча способов, которыми эти ядра могут распасться, но некоторые из них распадаются, превращая нейтрон в протон внутри ядра. Мы знаем об этом по увеличению заряда ядра и по тому, что из него вылетает электрон вместе с антинейтрино. Другие даже могут распадаться, превращая протон в нейтрон! Мы знаем об этом, потому что заряд ядра уменьшается, и из него вылетает позитрон (антиэлектрон). Подсчётами того, сколько сможет прожить определённое ядро и как оно распадётся, занимается очень сложная ядерная физика – здесь курс по ней я давать не буду (да я и не эксперт).

Рис. 8

Достаточно сказать, что отрицательная энергия взаимодействия частиц, скомбинированная с сохранением энергии, может менять всю игру, делая невозможными определённые процессы, возможные в обычных условиях – и наоборот.

Изменение числа элементарных частиц в атоме. Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Изотопы – разновидности атомов одного химического элемента. Атомная единица массы. Относительная атомная масса элемента. Ионы.
Цели урока:

Организовать деятельность учащихся по изучению и первичному закреплению понятий «химический элемент», «изотоп», «ион».
Создать условия для развития у школьников умений анализировать, сравнивать объекты, делать обобщения и выводы.

Требования к уровню подготовки учащихся:

знать / понимать

важнейшие химические понятия: химический элемент, изотоп, ион, катион, анион, относительная атомная молекулярная масса;

объяснять: физический смысл атомного (порядкового) номера химического элемента;

использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни для:

критической оценки информации о веществах, используемых в быту.

Оборудование: Таблица «Периодическая система химических элементов».

1. Организационный момент.

2. Терминологическая разминка.

Что изучает химия?
Что называют химической реакцией?
Перечислите признаки протекания химических реакций.
Перечислите формы существования химического элемента.
Дайте определение понятия «атом».

3. Актуализация знаний учащихся:

а) Когда и где впервые появилось понятие «атом»? Что оно означало?

б) Кто предложил планетарную модель строения атома? Опишите атом с точки зрения планетарной модели.

в) Из каких частиц состоит атомное ядро?

г) Перечислите физические характеристики протона.

д) Перечислите физические характеристики нейтрона.

е) Перечислите физические характеристики электрона.

ж) Какой частью атома определяется его масса?

з) Какой частью атома определяется его размер?

и) Как определить число протонов, нейтронов и электронов в атоме?

4. Изучение нового материала.

Какие изменения произойдут при изменении числа протонов, нейтронов и электронов в атоме?

Рассмотрим это на примере атома водорода. В состав атомов водорода входит 1 протон и 1 электрон (рис. 1).

Изменение числа протонов в атоме.

Увеличим число протонов в ядре атома на один. После этого новый атом будет содержать 2 протона и один электрон (рис. 2). Что мы получили? Вспомним, что однозначной характеристикой химического элемента является число протонов в ядре атома. Полученный атом содержит 2 протона, имеет заряд ядра равный +2, следовательно, этот атом не принадлежит химическому элементу водороду. Два протона и заряд ядра +2 имеют атомы гелия. Таким образом, при изменении числа протонов в ядре атома изменяется и химический элемент.

Запишем этот процесс в виде схемы:

Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Изменение числа нейтронов в атоме.

Если в ядро атома водорода прибавить один нейтрон, то мы получим атом, содержащий один протон, один нейтрон и один электрон. Чем будет отличаться вновь полученный атом?

Сравним их основные характеристики:

Характеристики атомов

Но могут ли отличаться атомы одного химического элемента массой? Оказывается в природе это явление достаточно широко распространено. Например, химический элемент кислород представлен атомами с тремя разными массами: 16, 17 и 18 а.е.м., углерод – двумя видами атомов с массами 12 и 13 а.е.м. Существуют химические элементы, которые имеют атомы с семью и более разными массами.

Изотопы – атомы одного химического элемента, имеющие разную массу.

Рассмотрим изотопы водорода. Легкий атом водорода с массовым числом 1 называют протий, тяжелый с массовым числом 2 – дейтерий. Существует и сверхтяжелый водород – тритий, массовой число которого равно трем. Как можно получить эти атомы? Запишем схему процесса:

Водород – единственный элемент, изотопы которого имеют собственные символы: дейтерий – D, тритий – Т. Атомы протия и дейтерия являются стабильными (устойчивыми), а тритий – радиоактивен, т.е. атомы водорода-3 подвергаются самопроизвольному распаду, при котором выделяется громадное количество энергии. Благодаря этому факту тритий является перспективным видом топлива, а пока его применение ограничивается созданием водородной бомбы. Дейтерий входит в состав так называемой «тяжелой воды» – обязательного элемента атомных электростанций.

В Периодической системе химических элементов наряду с порядковым (атомным) номером указана так называемая относительная атомная масса элемента, которая показывает во сколько раз атомы данного элемента тяжелее 1 а.е.м. В качестве атомной единицы массы была выбрана 1/12 часть массы атома изотопа углерода–12.

1 а.е.м. = 1,661∙10 –24 г

Относительную атомную массу обозначают A_r, где r – первая буква английского слова relative – относительный.

Относительная атомная масса (A_r) – величина, показывающая отношение средней массы атома природной смеси изотопов элемента к одной атомной единице массы.

Относительная атомная масса – безразмерная величина, т.к. получена делением двух масс друг на друга.

Ar(Cl) = 35 * 0.75 + 37 * 0,25 = 35,5,

что согласуется с данными, представленными в Периодической системе. Аналогично вычисляют относительные атомные массы всех химических элементов.

Изменение числа электронов в атоме.

Если в электронную оболочку атома водорода прибавить один электрон, то мы получим атом, содержащий один протон, и два электрона (рис. 4). Изменился ли химический элемент? Нет, т.к. заряд ядра атома остался прежним +1. Масса полученной частицы также практически не изменилась (m_e– ≈ 0). Но ведь эта частица отличается от исходного атома водорода. Изменился заряд электронной оболочки с –1 до –2, а т.к. заряд ядра остался прежним, то мы получили заряженную

частицу: Z(атома) = Z(ядра) + Z(эл.об.) = +1 + (–2) = –1. Данный процесс может быть записан следующей схемой:

С атомом водорода можно провести еще одно превращение – убрать электрон из электронной оболочки. При этом также химический элемент не изменится, потому что сохраняется ядро атома с зарядом +1. Запишем этот процесс:

Полученные атомные частицы называют ионами.

Ионы – атомные или многоатомные частицы, имеющие электрический заряд.

Ионы могут иметь как положительный, так и отрицательный заряд.

С многоатомными ионами познакомимся позднее.

Изменение числа элементарных частиц в атоме всегда приводит к качественным изменениям. В результате этих процессов могут быть получены изотопы, ионы данного химического элемента или новый химический элемент.

Читайте также: