Урок 9. Сложное строение атома. Состав атомных ядер. Нуклиды. Изотопы
Новые термины и понятия: атом, электрон и атомное ядро как микрочастицы, масса и заряд ядра, масса покоя и заряд электрона, протоны, нейтроны, массовое число, нуклиды, изотопы.
Содержание урока соответствует § 9 и 10. С учащимися обсуждают основные особенности микрочастиц, из которых состоит атом,— электронов и ядер, их заряд и массу. Внимание учащихся нужно обратить на то, что у электрона нет четких внешних границ и его представляют как облако. Форма облаков разных электронов может быть различной. На рисунке 12 в учебнике показаны две возможные формы электронных облаков.
Электрон имеет элементарный электрический заряд, которому условно приписывают значение 1 и знак «минус». Знак заряда ядра отличается от знака заряда электрона, условно считают, что заряд ядра имеет знак «плюс».
В состав практически всех ядер входят микрочастицы (частицы очень малых размеров и очень малой массы) двух видов — протоны и нейтроны (иногда в литературе для них используют общее название «нуклоны»). У протона (сокращенная запись р) имеется положительный единичный заряд +1, у нейтрона (п) электрического заряда нет. Масса протона равна 1,007276 (в углеродных единицах массы). Она немного меньше, чем масса нейтрона (1,008664), но на начальном этапе изучения строения атома в VIII классе можно принять, что относительные массы протона и нейтрона одинаковы и приблизительно равны 1. Сумма чисел протонов и нейтронов в ядре — это массовое число атома А. Нужно иметь в виду, что из-за того, что масса протона и масса нейтрона не равны 1, массовое число ядра какого-либо атома А никогда не равно его массе, выраженной в относительных единицах (за исключением только одного случая — ядер углерода-12, для которых масса ядер равна 12,00000).
Число протонов р определяет заряд ядра Z (обычно этот заряд выражают в относительных единицах заряда). В нейтральном атоме заряд ядра нейтрализуют электроны: в нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
Между одноименно заряженными протонами в ядре действуют силы отталкивания. Ядро устойчиво из-за того, что, кроме сил отталкивания, в ядре между нуклонами (и протонами, и нейтронами) действуют силы притяжения. Эти внутриядерные силы притяжения называют силами близкодействия, так как действуют они только на расстояниях, меньших диаметра ядра атома.
За счет сил межнуклонного притяжения многие ядра обладают высокой устойчивостью (стабильны во времени). Среди легких элементов такая стабильность наблюдается, если число протонов примерно равно числу нейтронов.
По мере увеличения числа протонов в стабильных ядрах возрастает относительное содержание нейтронов (нейтроны не отталкиваются ни от протонов, ни от других нейтронов, но обеспечивают взаимное притяжение и тех и других). Поэтому в тяжелых стабильных ядрах таких элементов, как золото, платина, ртуть и свинец, число нейтронов уже примерно в 1,5 раза превышает число протонов.
Число протонов в ядре всегда равно относительному заряду ядра, а число нейтронов в ядре атома можно найти, зная массовое число и заряд ядра: число нейтронов в ядре равно разности массового числа и числа протонов в ядре. Нужно отметить, что иногда в учебно-методической литературе встречаются задачи определения или массовых чисел по атомной массе элемента, или атомной массы элемента по данным о массовых числах нуклидов и содержании их в природной смеси нуклидов данного элемента.
Такие задачи ошибочны. Так, элемент кальций Са (относительная атомная масса 40,078) представляет собой смесь нуклидов с массовыми числами 40, 42, 43, 44, 46 и 48 (иначе говоря, эти нуклиды — природные стабильные изотопы кальция). Сделать вывод об изотопном составе природного кальция на основе рассмотрения его относительной атомной массы (значение Аг кальция равно 40,078), разумеется, нельзя. Изотопный состав каждого элемента находят экспериментально.
По рекомендациям ИЮПАК и ИЮПАП вид атомов элемента с определенным числом протонов и нейтронов в ядре уже более 30 лет называют нуклидом. Ранее вместо термина «нуклид» широко использовали термин «изотоп» (в единственном числе). В настоящее время изотопами (по рекомендациям ИЮПАК и ИЮПАП) называют нуклиды одного химического элемента. Использовать термин «изотопы» (в буквальном переводе с греческого — равноместные, т. е. занимающие одну клетку в таблице элементов) следует только во множественном числе.
ИЮПАК и ИЮПАП для обозначения нуклидов рекомендуют около символа элемента указывать массовое число и заряд ядра следующим образом:
40|20Ca,
где 40 — массовое число, а 20 — заряд ядра атома. Можно также для обозначения нуклида к названию химического элемента через дефис присоединять значение массового числа (приведенная запись отвечает нуклиду кальций-40).
При обозначении нуклида можно не указывать около символа элемента значение заряда ядра, так как у каждого элемента заряд ядра строго определенный: 40Са.
На основании сведений о точных значениях относительных масс атомов нуклидов и их распространенности в природной смеси нуклидов данного элемента находят
значение относительной атомной массы элемента. Так, элемент хлор представлен в природе двумя стабильными нуклидами 35С1 и 37С1, относительные атомные массы которых равны соответственно 34,968852 и 36,965902, а содержание этих нуклидов в смеси равно соответственно 75,77% и 24,23%. С учетом этих значений атомная масса элемента хлора Аг = 34,968852 • 0,7577 + 36,965902 X ХО,2423 = 35,4527.
Задание на дом. § 9, упражнения 1—4, § 10, упражнения 1—6.
Ответы и пояснения к упражнениям
2 (§ 9). Масса электрона примерно равна массе протона (ядра атома водорода), деленной на 2000.
4 (§ 9). До сих пор не обнаружено каких-либо элементарных частиц, заряд которых был бы меньше заряда одного электрона (одного протона).
1 (§ 10). Нейтроны содержатся в ядрах, в которых имеется два или большее число одинаково заряженных протонов. Нейтроны удерживают протоны в ядре, не позволяют им разлететься, покинуть ядро. Только в ядре атома водорода Н имеется всего один протон, который отталкивания от других протонов в ядре не испытывает.
2 (§ 10). В ядрах магния число протонов равно 12. Число нейтронов в ядрах магния может быть различным. Для того чтобы его найти, надо знать массовое число нуклида магния.
3 (§ 10). В нейтральном атоме алюминия на 3 электрона больше.
5 (§ 10). Массовое число равно сумме чисел протонов и нейтронов в ядре. Оно всегда целочисленно и быть дробным не может.
6 (§ 10). В атоме кислорода может быть не только 8, но и 10 электронов. В таком случае атом будет иметь заряд -2 (атом кислорода, содержащий 8 электронов, заряда не имеет).
