Что нужно знать до
Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.
Коротко о главном
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протон открыл Резерфорд в 1919 году, выбив его α-частицей из ядра азота, нейтрон — Чедвик в 1932 году. В любой ядерной реакции сохраняются сумма массовых чисел (верхних) и сумма зарядовых чисел (нижних).
Подробное объяснение
Представьте, что вам дали закрытую коробку и попросили узнать, что внутри. Открыть нельзя. Можно бросить в неё камешек и посмотреть, что вылетит. Так физики начала XX века изучали ядро: «обстреливали» его быстрыми α-частицами и следили за осколками.
Как открыли протон
Резерфорд заметил: массы атомов почти всегда кратны массе атома водорода. Он предположил, что ядро водорода входит в состав всех ядер. В 1919 году он направил α-частицы на азот, и из ядер азота начали вылетать ядра водорода. Их назвали протонами (от греческого «первый»).
Позже опыт повторили в камере Вильсона. Большинство следов α-частиц — прямые линии. Но один след раздваивается «вилкой»: здесь α-частица попала в ядро азота. Короткий толстый след — новое ядро кислорода, длинный тонкий — протон. Реакция:
Протон обозначают \({}^{1}_{1}\text{H}\) или \({}^{1}_{1}p\). Его масса около 1 а. е. м. (точнее 1,0073 а. е. м.), заряд равен элементарному: \(+1{,}6 \cdot 10^{-19}\) Кл. Протоны выбивали и из бора, натрия, алюминия, магния. Вывод: протоны есть в ядрах всех элементов.
Зачем понадобился нейтрон
Пусть ядро состоит только из протонов. Заряд ядра бериллия \({}^{9}_{4}\text{Be}\) равен 4 элементарным зарядам — значит, протонов 4 и масса была бы около 4 а. е. м. А на опыте масса ядра около 9 а. е. м. Не хватает 5 а. е. м. Значит, в ядре есть ещё частицы — тяжёлые, но без заряда.
Резерфорд предсказал такую частицу в 1920 году. В 1932 году Джеймс Чедвик изучал излучение, которое возникает при обстреле бериллия α-частицами. Оно не отклонялось ни в электрическом, ни в магнитном поле — значит, заряда нет. А по тому, как эти частицы выбивали ядра из вещества, Чедвик оценил их массу: почти как у протона. Частицу назвали нейтроном, обозначение \({}^{1}_{0}n\): масса 1 а. е. м. (точнее 1,0087 а. е. м., чуть больше протона), заряд 0.
Что означают числа в записи
В записи \({}^{A}_{Z}\text{X}\) верхнее число \(A\) — массовое: масса ядра в а. е. м., округлённая до целого. Нижнее \(Z\) — зарядовое: заряд ядра в элементарных зарядах, он же номер элемента в таблице Менделеева. У α-частицы \(A = 4\), \(Z = 2\), у протона \(A = 1\), \(Z = 1\), у нейтрона \(A = 1\), \(Z = 0\).
В ядерных реакциях выполняются два закона сохранения:
- сумма массовых чисел до реакции равна сумме после;
- сумма зарядовых чисел до реакции равна сумме после (закон сохранения электрического заряда).
Как решать задачи
- Запишите реакцию, неизвестную частицу обозначьте \({}^{A}_{Z}X\).
- Сложите верхние числа слева и справа, приравняйте — найдите \(A\).
- Сделайте то же для нижних чисел — найдите \(Z\).
- По \(Z\) определите частицу: \(Z = 0\), \(A = 1\) — нейтрон; \(Z = 1\), \(A = 1\) — протон; \(Z = 2\), \(A = 4\) — α-частица; иначе — элемент с номером \(Z\) по таблице Менделеева.
- Проверьте: суммы сверху и снизу должны совпасть с обеих сторон.
Разобранные примеры
Проверка законов сохранения
Проверьте, выполняются ли законы сохранения в реакции \({}^{10}_{5}\text{B} + {}^{4}_{2}\text{He} \to {}^{13}_{7}\text{N} + {}^{1}_{0}n\).
- реакция бора с α-частицей
- суммы \(A\) и \(Z\) слева и справа
Массовые числа: слева \(10 + 4 = 14\), справа \(13 + 1 = 14\).
Зарядовые числа: слева \(5 + 2 = 7\), справа \(7 + 0 = 7\).
Неизвестный продукт реакции
При обстреле натрия α-частицами идёт реакция \({}^{23}_{11}\text{Na} + {}^{4}_{2}\text{He} \to {}^{26}_{12}\text{Mg} + X\). Что за частица X?
- \({}^{23}_{11}\text{Na}\)
- \({}^{4}_{2}\text{He}\)
- \({}^{26}_{12}\text{Mg}\)
- \(A\) и \(Z\) частицы X
\(A = 23 + 4 - 26 = 1\).
\(Z = 11 + 2 - 12 = 1\).
Частица с \(A = 1\) и \(Z = 1\) — протон.
Сколько в ядре «лишней» массы
Ядро углерода \({}^{12}_{6}\text{C}\). Какой была бы его масса, если бы оно состояло только из протонов? Сколько нейтронов объясняют реальную массу?
- \(A = 12\)
- \(Z = 6\)
- \(m_p\) «протонного» ядра
- число нейтронов \(N\)
Заряд ядра 6 элементарных зарядов — значит, протонов 6, и масса «только из протонов» была бы около 6 а. е. м.
Реальная масса около 12 а. е. м. Разница \(12 - 6 = 6\) а. е. м. Каждый нейтрон добавляет примерно 1 а. е. м., значит, \(N = 6\).
Типичные ошибки
Сумма верхних чисел может совпасть, а заряд — нет. Например, если вместо протона подставить нейтрон, \(A\) не изменится, но \(Z\) станет другим, и реакция нарушит закон сохранения заряда.
Всегда проверяйте обе строки: и верхние числа, и нижние. Частица определяется только парой \(A\) и \(Z\).
У обеих частиц верхнее число 1, поэтому \({}^{1}_{1}p\) и \({}^{1}_{0}n\) легко перепутать. Иногда нейтрону пишут заряд 1 или протону — заряд 0.
Смотрите на нижнее число: 1 у протона (он заряжен), 0 у нейтрона (он нейтрален — отсюда и название). Протон — это ядро водорода \({}^{1}_{1}\text{H}\).
Трек — это капельки на ионах. Нейтрон без заряда почти не ионизирует газ, поэтому своего следа не оставляет. Именно поэтому его открыли так поздно.
Нейтрон обнаруживают косвенно: по следам заряженных ядер, которые он выбивает, сталкиваясь с ними.
Проверь себя
Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.
-
Какую частицу выбивала α-частица из ядра азота в опыте Резерфорда 1919 года?
Показать ответ
Ответ: Б) Протон
Из ядра азота вылетало ядро атома водорода — протон, а азот превращался в кислород.
-
Какие утверждения о нейтроне верны?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Заряд нейтрона равен нулю; Б) Масса нейтрона примерно 1 а. е. м.; В) Нейтрон чуть тяжелее протона
Нейтрон нейтрален, поэтому не отклоняется ни в электрическом, ни в магнитном поле; его масса 1,0087 а. е. м., чуть больше массы протона.
-
Чему равна сумма зарядовых чисел в левой части реакции \({}^{14}_{7}\text{N} + {}^{4}_{2}\text{He} \to {}^{17}_{8}\text{O} + {}^{1}_{1}\text{H}\)?
Показать ответ
Ответ: 9
\(7 + 2 = 9\); справа тоже \(8 + 1 = 9\) — заряд сохраняется.
-
Кто и когда открыл нейтрон?
Показать ответ
Ответ: Б) Чедвик в 1932 году
В 1932 году Джеймс Чедвик доказал, что «бериллиевое излучение» — поток нейтральных частиц с массой, близкой к массе протона.
-
В реакции \({}^{7}_{3}\text{Li} + {}^{1}_{1}\text{H} \to 2X\) образуются две одинаковые частицы X. Каково массовое число X?
Показать ответ
Ответ: 4
Слева \(7 + 1 = 8\), делим на две частицы — по 4. Зарядовое число \((3 + 1)/2 = 2\), это α-частица \({}^{4}_{2}\text{He}\).
Результат:
Задачи для тренировки
От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.
В реакции \({}^{9}_{4}\text{Be} + {}^{4}_{2}\text{He} \to {}^{12}_{6}\text{C} + X\) образуется неизвестная частица X. Найдите её массовое и зарядовое числа и назовите её.
Подсказка
Суммы верхних чисел слева и справа равны; то же для нижних чисел.
Решение
Массовое число: \(A = 9 + 4 - 12 = 1\). Зарядовое число: \(Z = 4 + 2 - 6 = 0\).
Частица с \(A = 1\) и \(Z = 0\) — нейтрон \({}^{1}_{0}n\).
Ответ
Заряд ядра алюминия равен 13 элементарным зарядам. Каков заряд ядра в кулонах? Элементарный заряд \(1{,}6 \cdot 10^{-19}\) Кл.
Подсказка
Каждый протон несёт один элементарный заряд.
Решение
\(q = Z \cdot e = 13 \cdot 1{,}6 \cdot 10^{-19} = 2{,}08 \cdot 10^{-18}\) Кл.
Ответ
Ядро алюминия \({}^{27}_{13}\text{Al}\) захватывает α-частицу и выбрасывает протон. Какое ядро X образуется? Запишите реакцию.
Подсказка
Протон — это \({}^{1}_{1}\text{H}\). Найдите A и Z ядра X и определите элемент по таблице Менделеева.
Решение
\({}^{27}_{13}\text{Al} + {}^{4}_{2}\text{He} \to {}^{A}_{Z}X + {}^{1}_{1}\text{H}\).
\(A = 27 + 4 - 1 = 30\), \(Z = 13 + 2 - 1 = 14\). Элемент № 14 — кремний: \({}^{30}_{14}\text{Si}\).
Ответ
Почему нейтрон не оставляет следа в камере Вильсона, а протон оставляет?
Решение
След в камере Вильсона — цепочка капелек на ионах, которые частица создаёт на своём пути. Ионизирует газ заряженная частица, толкая электроны своим электрическим полем. У нейтрона заряда нет, он почти не ионизирует газ, поэтому трека не видно. Протон заряжен и оставляет след.
Ответ
Ядро лития \({}^{7}_{3}\text{Li}\) имеет массу около 7 а. е. м. Если бы в нём были только протоны, их было бы 3. Сколько нейтронов нужно добавить, чтобы объяснить массу ядра, и какова их общая масса в килограммах? Масса нейтрона 1,0087 а. е. м., 1 а. е. м. = \(1{,}66 \cdot 10^{-27}\) кг.
Подсказка
Каждый нейтрон добавляет примерно 1 а. е. м.
Решение
Не хватает \(7 - 3 = 4\) а. е. м., значит, нейтронов \(N = 4\).
\(m = 4 \cdot 1{,}0087 \cdot 1{,}66 \cdot 10^{-27} \approx 6{,}70 \cdot 10^{-27}\) кг.
Ответ
Чтобы выбить протон из ядра, α-частица должна лететь очень быстро. Почему для «обстрела» ядер удобнее использовать нейтроны, даже медленные?
Решение
α-частица и ядро заряжены положительно и отталкиваются. Чтобы приблизиться к ядру, α-частица должна преодолеть это отталкивание, поэтому ей нужна большая энергия. Нейтрон не заряжен, ядро его не отталкивает, и он может подойти к ядру вплотную даже с малой скоростью.
Ответ
Для родителя
Как объяснить за 5 минут. Возьмите непрозрачный пакет с разными предметами: «заглянуть нельзя, но можно бросить мячик и посмотреть, что вылетит». Так Резерфорд «разглядел» протон. Потом взвесьте пакет: если по числу «видимых» предметов он должен весить меньше, значит, внутри есть что-то незаметное — так понадобился нейтрон. Покажите запись реакции и попросите сложить верхние и нижние числа с каждой стороны.
Вопросы для проверки понимания: 1) Чем нейтрон отличается от протона? 2) Почему ядро бериллия не может состоять только из протонов? 3) Что сохраняется в ядерной реакции?
На что обратить внимание. Ребёнок должен уверенно различать массовое и зарядовое число и проверять обе суммы. Даты и фамилии полезны, но важнее понять, зачем понадобился нейтрон.