Массовое и зарядовое числа

Массовое число, обозначаемое латинской буквой A, представляет собой сумму нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре. Это целое число, определяющее общее количество частиц, составляющих ядро, и служащее фундаментальной характеристикой каждого изотопа химического элемента.

A = Z + N, где Z — зарядовое число (число протонов), N — число нейтронов.

Массовое число определяет не только приближённую массу атомного ядра, но и его стабильность, энергетические уровни и ядерные свойства. Оно напрямую связано с понятием изотопов: ядра с одинаковым Z, но различным A, являются изотопами одного элемента.

Пример: ¹²C (углерод-12) имеет 6 протонов и 6 нейтронов: A = 6 + 6 = 12. ¹⁴C (углерод-14) — радиоактивный изотоп с 6 протонами и 8 нейтронами: A = 6 + 8 = 14.

Массовое число не указывается в периодической таблице, поскольку каждый элемент может существовать в виде нескольких изотопов.

Зарядовое число (Z)

Зарядовое число, обозначаемое символом Z, — это количество протонов в ядре атома. Оно определяет:

  • Химическую природу элемента (положение в периодической таблице);
  • Электрический заряд ядра, равный +Ze;
  • Количество электронов в нейтральном атоме, а значит, и его электронную оболочку, химические свойства, валентность.

Так, все атомы с Z = 1 — это водород (H), с Z = 2 — гелий (He), с Z = 6 — углерод (C) и т.д. Независимо от числа нейтронов в ядре, именно Z однозначно определяет принадлежность атома к тому или иному химическому элементу.

В ядерной реакции, как правило, заряд сохраняется — суммарное Z до реакции равно суммарному Z после.

Различие между A и Z

Несмотря на тесную взаимосвязь, массовое и зарядовое числа имеют принципиально различные физические значения:

Характеристика Массовое число A Зарядовое число Z
Определяет Общее число нуклонов Число протонов
Изменяется при Изотопных и ядерных реакциях Изменении элемента (превращении)
Отражает Приблизительную массу ядра Химические свойства
Связь с элементом Задаёт изотоп Задаёт элемент

Нейтронное число (N)

Для полноты описания следует ввести третью характеристику ядра — нейтронное число N:

N = A – Z

Оно определяет количество нейтронов, участвующих в обеспечении ядерной устойчивости. При слишком большом или слишком малом числе нейтронов относительно протонов ядро становится нестабильным, что может привести к радиоактивному распаду.

Примеры:

  • У стабильного ¹²C: N = 12 – 6 = 6;
  • У радиоактивного ²³⁹Pu: N = 239 – 94 = 145.

Обозначение ядер

Ядро принято обозначать в следующем виде:

ₐᶻX или X(A, Z)

где X — символ химического элемента, A — массовое число, Z — зарядовое число.

Примеры:

  • ₆¹²C — углерод-12 (6 протонов, 6 нейтронов);
  • ₉₂²³⁸U — уран-238 (92 протона, 146 нейтронов);
  • ₈₃²⁰⁹Bi — висмут-209, стабильный тяжёлый элемент.

Это обозначение является основой при записи ядерных реакций, распадов, синтезов и т.д.

Закон сохранения массового и зарядового чисел

В ходе ядерных реакций и радиоактивных превращений строго соблюдаются два фундаментальных закона:

  1. Сохранение зарядового числа — сумма зарядов до и после реакции одинакова.
  2. Сохранение массового числа — сумма массовых чисел до и после реакции сохраняется (в приближении без учёта малой разницы масс и энергии связи).

Пример — α-распад урана-238:

₂₃₈⁹²U → ₂₃⁴⁹⁰Th + ₄²He

Суммарно:

  • A: 238 = 234 + 4
  • Z: 92 = 90 + 2

Оба закона выполнены.

Массовое число и атомная масса

Следует отличать массовое число A, являющееся целым числом, от атомной массы, выраженной в атомных единицах массы (а.е.м.) и учитывающей:

  • Массу протонов и нейтронов (не одинаковых),
  • Массу электронов,
  • Дефект массы (энергия связи).

Атомная масса всегда близка к A, но может иметь нецелое значение. Например:

  • У ¹²C атомная масса точно 12,0000 а.е.м. по определению;
  • У ¹⁶O — 15,9949 а.е.м.;
  • У ³⁵Cl — 34,9688 а.е.м.

Атомная масса является результатом тонкого баланса масс частиц и энергии связи, описываемой через дефект массы и уравнение Эйнштейна: E = Δmc²

Роль массового и зарядового чисел в классификации нуклидов

Массовое и зарядовое числа служат базой для систематизации ядер:

  • Изотопы — одинаковое Z, разное A (например, ¹²C, ¹³C, ¹⁴C);
  • Изобары — одинаковое A, разное Z (например, ¹⁴C и ¹⁴N);
  • Изотоны — одинаковое N, разное Z (например, ¹⁵N и ¹⁶O, у которых по 8 нейтронов).

Эти классификации позволяют изучать закономерности стабильности, типов распадов, энергетики, структуры ядер.

Практическое значение

Понимание и использование массового и зарядового чисел имеет огромное значение:

  • В ядерной энергетике — при расчётах реакторов и делящихся материалов;
  • В радиохимии — для идентификации продуктов распада;
  • В медицине — при использовании радиоизотопов в диагностике и терапии;
  • В космологии — при моделировании процессов нуклеосинтеза во Вселенной;
  • В экспериментальной физике — для анализа данных ускорителей и спектрометров.

Массовое и зарядовое числа являются фундаментом ядерной нотации и ядерных преобразований, неизменно фигурируя во всех разделах ядерной физики, от учебных задач до передовых научных исследований.

Оглавление