Склад ядра: протони, нейтрони, ізотопи

Атомне ядро — це центральна частина атома, у якій зосереджена майже вся маса атома. Ядро складається з двох типів частинок — протонів і нейтронів, які разом називають нуклонами.

Протони й нейтрони

Протон — це частинка з додатним елементарним зарядом +e, де e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл. Маса протона дорівнює приблизно 1 а. о. м. (атомна одиниця маси). Нейтрон не має електричного заряду, його маса трохи більша за масу протона (приблизно 1,0087 а. о. м.). Саме тому, що нейтрон незаряджений, він може наближатися до ядра, не відчуваючи кулонівського відштовхування.

Позначення ядра ᴬ_Z X

У фізиці ядро позначають символом ᴬ_Z X, де:

• X — хімічний символ елемента (наприклад, H, He, C, U)

• Z — зарядове число, яке дорівнює кількості протонів у ядрі; це також номер елемента в періодичній системі

• A — масове число, яке дорівнює загальній кількості нуклонів (протонів + нейтронів)

Кількість нейтронів N знаходять за формулою: N = A − Z.

Заряд ядра й кількість електронів

Заряд ядра дорівнює q = Z·e. У нейтральному атомі кількість електронів дорівнює кількості протонів Z. Електрони мають заряд −e, тому загальний заряд атома дорівнює нулю.

Приклади

Розгляньмо ядро урану-235, яке позначають ²³⁵_₉₂U. Тут Z = 92, A = 235. Отже, протонів — 92, нуклонів — 235, нейтронів — 235 − 92 = 143.

А тепер ядро ³⁵_₁₇Cl (хлор-35): Z = 17, A = 35, отже, протонів — 17, нейтронів — 35 − 17 = 18.

Масове число A — це ціле число нуклонів, а не маса ядра в атомних одиницях маси. Маса ядра в а. о. м. близька до A, але не дорівнює йому. Маса ядра менша за суму мас вільних протонів і нейтронів, з яких воно складається; цю різницю називають дефектом мас (про це — у наступному юніті).

Щоб краще запам'ятати, що означають символи, подивися на схему:

Ізотопи — це різновиди одного хімічного елемента, ядра яких мають однакове зарядове число Z (однакову кількість протонів), але різне масове число A (різну кількість нейтронів). Іншими словами, ізотопи належать до того самого елемента в періодичній системі, але відрізняються масою ядра.

Приклад: ізотопи Гідрогену

Найвідоміший приклад — три ізотопи Гідрогену:

У всіх трьох Z = 1, тому це той самий елемент — Гідроген. Кількість нейтронів різна: 0, 1 і 2 відповідно.

Ізобари й ізотони — не плутай з ізотопами

Програма НМТ вимагає знати тільки ізотопи, але варто розрізняти споріднені поняття, щоб не помилитись у завданнях:

• Ізотопи — однакове Z, різне A (різна кількість нейтронів). Приклад: ¹⁶₈O і ¹⁷₈O.

• Ізобари — однакове A, різне Z. Приклад: ¹⁴₆C і ¹⁴₇N — мають однакове A = 14, але різні елементи.

• Ізотони — однакове N (кількість нейтронів), різне Z. Приклад: ¹⁴₆C (N = 8) і ¹⁵₇N (N = 8).

Хімічні та фізичні властивості ізотопів

Хімічні властивості ізотопів однакові, тому що вони визначаються кількістю електронів в атомі, а вона дорівнює Z. Електронна оболонка атома не залежить від того, скільки нейтронів у ядрі. Тому ізотопи одного елемента беруть участь в однакових хімічних реакціях.

Фізичні властивості ізотопів, навпаки, відрізняються:

• Маса ядра — різна через різну кількість нейтронів.

• Стійкість ядра — одні ізотопи стабільні, інші радіоактивні (наприклад, дейтерій стабільний, а тритій радіоактивний).

• Густина, температура плавлення й кипіння можуть незначно відрізнятися.

Більшість хімічних елементів у природі існують як суміші кількох ізотопів. Саме тому відносна атомна маса елемента в періодичній таблиці Менделєєва — не ціле число, а середнє значення, зважене за природним вмістом ізотопів. Наприклад, атомна маса Хлору 35,45 а. о. м. — це середнє між ³⁵Cl і ³⁷Cl.

У ядрі протони мають однаковий додатний заряд, тому вони відштовхуються один від одного за законом Кулона. Здавалося б, ядро мало б негайно розлетітися. Проте цього не відбувається завдяки особливим силам — ядерним (сильним) силам притягання.

Що таке ядерні сили?

Ядерні сили — це сили притягання між нуклонами (протонами й нейтронами), які діють на відстанях близько 10⁻¹⁵ м. Вони приблизно в 100 разів сильніші за електростатичне відштовхування протонів на тих самих відстанях. Саме тому ядро існує як стійка система.

Основні властивості ядерних сил

Роль нейтронів у ядрі

Нейтрони відіграють ключову роль у стабільності важких ядер. Оскільки нейтрони не мають заряду, вони додають ядерне притягання без додаткового електричного відштовхування. Тому у важких ядрах (наприклад, урану) нейтронів помітно більше, ніж протонів. Співвідношення N : Z зростає зі збільшенням масового числа: для легких ядер воно близьке до 1, а для важких може перевищувати 1,5.

Енергію, яку потрібно затратити, щоб розщепити ядро на окремі нуклони, називають енергією зв'язку ядра. Докладно це поняття розглядається в наступному юніті «Дефект мас і енергія зв'язку ядра».

Розв'яжемо кілька типових завдань НМТ на тему складу ядра та ізотопів.

Приклад 1. Склад ядра урану-235

Ядро урану-235 позначають ²³⁵_₉₂U. Скільки протонів і нейтронів містить це ядро?

Розв'язання:

• Зарядове число Z = 92 — це кількість протонів.

• Масове число A = 235 — це кількість нуклонів (протонів + нейтронів).

• Кількість нейтронів N = A − Z = 235 − 92 = 143.

Відповідь: 92 протони, 143 нейтрони.

Чому інші варіанти неправильні:

• 92 і 235 — нейтронів не 235, це масове число.

• 143 і 92 — переплутано протони й нейтрони місцями.

• 235 і 92 — обидва числа не відповідають кількості протонів і нейтронів.

Приклад 2. Яка пара ядер є ізотопами?

Яка з наведених пар ядер є ізотопами одного хімічного елемента?

• ¹⁶₈O і ¹⁷₈O

• ¹⁷₈O і ¹⁷₉F

• ¹⁶₈O і ¹⁸₉F

• ¹⁴₆C і ¹⁴₇N

Розв'язання:

Ізотопи мають однакове Z (кількість протонів) і різне A (масове число). Перевіримо кожну пару:

• ¹⁶₈O (Z = 8) і ¹⁷₈O (Z = 8) — Z однакове, A різне. Це ізотопи!

• ¹⁷₈O (Z = 8) і ¹⁷₉F (Z = 9) — різне Z, однакове A (17). Це ізобари, а не ізотопи.

• ¹⁶₈O (Z = 8) і ¹⁸₉F (Z = 9) — різне Z і різне A. Не ізотопи.

• ¹⁴₆C (Z = 6) і ¹⁴₇N (Z = 7) — різне Z, однакове A (14). Це ізобари.

Відповідь: ¹⁶₈O і ¹⁷₈O.

Приклад 3. Завдання на відповідність

Зіставте ядро з його характеристикою:

Ядра: 1 — ¹²₆C, 2 — ¹⁴₆C, 3 — ¹⁴₇N.

Характеристики: А — 8 нейтронів, Б — 7 протонів, В — 6 нейтронів, Г — 5 нейтронів, Д — 14 протонів.

Розв'язання:

• Для ¹²₆C: Z = 6, A = 12 → N = 12 − 6 = 6 нейтронів. Зіставляємо з В.

• Для ¹⁴₆C: Z = 6, A = 14 → N = 14 − 6 = 8 нейтронів. Зіставляємо з А.

• Для ¹⁴₇N: Z = 7, A = 14 → кількість протонів = 7. Зіставляємо з Б.

Відповідь: 1 → В, 2 → А, 3 → Б. Характеристики Г (5 нейтронів) і Д (14 протонів) є зайвими.

Приклад 4. Чому ядро не розпадається?

Чому ядро атома не розпадається, попри те що однойменно заряджені протони відштовхуються?

Розв'язання:

Між нуклонами (протонами й нейтронами) діють ядерні сили притягання. На відстанях порядку розміру ядра (≈ 10⁻¹⁵ м) ці сили значно перевищують електростатичне відштовхування протонів. Саме тому ядро залишається стійким.

Відповідь: між нуклонами діють ядерні сили притягання, які сильніші за кулонівське відштовхування.

У завданнях НМТ на склад ядра та ізотопи учні часто припускаються однотипних помилок. Розгляньмо найпоширеніші з них.

• Брати масове число за кількість нейтронів. Пам'ятай: A — це загальна кількість нуклонів (протонів + нейтронів), а N = A − Z — кількість нейтронів. Нейтронів завжди менше, ніж нуклонів.

• Плутати зарядове число Z з кількістю нуклонів. Z — це тільки протони, A — нуклони. Номер у таблиці Менделєєва — це Z, а не A.

• Вважати, що ізотопи мають різні хімічні властивості. Хімічні властивості визначаються електронною оболонкою (тобто Z), а вона в ізотопів однакова. Різниця лише в масі ядра та радіоактивності.

• Вважати, що ядерні сили далекодійні або залежать від заряду нуклонів. Ядерні сили діють лише на відстанях порядку 10⁻¹⁵ м (короткодійні) і не залежать від заряду — вони однакові для пар p–p, n–n і p–n.

• Вважати заряд ядра рівним масовому числу. Заряд ядра q = Z·e, а Z — це кількість протонів, яка зазвичай менша за масове число A. Наприклад, для ²³⁵_₉₂U заряд ядра дорівнює 92·1,6·10⁻¹⁹ Кл, а не 235·1,6·10⁻¹⁹ Кл.

Тема складу ядра та ізотопів входить до розділу 5.3 програми НМТ з фізики. Розгляньмо, у якому форматі вона трапляється в тесті.

Демоваріант 2026 року

У демонстраційному варіанті НМТ-2026 завдання № 14 (тема 5.3) перевіряє склад ядра й заряд ядра ізотопу. Це завдання з вибором однієї правильної відповіді з чотирьох. За правильну відповідь нараховують 1 бал, за неправильну — 0 балів. Значення елементарного заряду e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл зазвичай подають в умові завдання.

Що треба знати

Програма НМТ (пункт 5.3) вимагає знати склад ядра атома: протони, нейтрони, нуклони, а також ізотопи. У довідкових матеріалах, які додають до тесту, немає словесних описів властивостей ядерних сил — їх треба знати напам'ять.

Форми завдань

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання № 1–14) — 1 бал за правильну відповідь.

• Завдання на відповідність («логічні пари», № 15–16) — до 3 балів за повністю правильне зіставлення.

Стратегія виконання

Як тільки бачиш позначення ядра ᴬ_Z X, одразу випиши числові значення:

• Z — зарядове число (протони).

• A — масове число (нуклони).

• N = A − Z — нейтрони.

Ці три числа стануть основою для відповіді на будь-яке запитання про склад ядра, заряд ядра або кількість електронів у нейтральному атомі.

• Ядро складається з протонів (заряд +e) і нейтронів (заряд 0). Разом їх називають нуклонами.

• Позначення ядра ᴬ_Z X: Z — кількість протонів (зарядове число), A — кількість нуклонів (масове число), N = A − Z — кількість нейтронів.

• Заряд ядра q = Z·e. У нейтральному атомі кількість електронів дорівнює Z.

• Ізотопи — ядра з однаковим Z, але різним A (різна кількість нейтронів). Хімічні властивості ізотопів однакові, фізичні (маса, стійкість) — різні.

• Ядерні сили — короткодійні сили притягання між нуклонами, не залежать від заряду, значно перевищують кулонівське відштовхування протонів.

• У важких ядрах нейтронів більше, ніж протонів, через відсутність заряду в нейтрона (додаткове притягання без відштовхування).