Массовое число является одной из основных характеристик атомного ядра. Оно показывает, из какого количества протонов и нейтронов состоит данное ядро.
Что такое массовое число
Массовое число - это суммарное количество нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре. Оно обозначается буквой A.
Например, в ядре изотопа углерода 12C содержится 6 протонов и 6 нейтронов. Следовательно, его массовое число равно 6 + 6 = 12.
Массовое число показывает общее число нуклонов в ядре и позволяет различать разные изотопы одного и того же элемента.
Связь массового числа с массой и зарядом ядра
Массовое число тесно связано с массой атомного ядра. Чем больше нуклонов в ядре, тем больше его масса. Приближенно массу ядра можно вычислить по формуле:
M ≈ A · mN
где M - масса ядра, A - массовое число, mN ≈ 1,67·10-27 кг - масса одного нуклона (протона или нейтрона).
Кроме того, массовое число определяет и заряд ядра, поскольку равно сумме протонов Z и нейтронов N:
A = Z + N
Использование массового числа
Знание массового числа необходимо для идентификации конкретных изотопов химических элементов. Массовое число указывается вверху слева от символа элемента:
- 235U - уран-235
- 14C - радиоактивный изотоп углерода
- 40K - калий-40
Массовые числа позволяют отличать изотопы друг от друга и прослеживать превращения ядер при ядерных реакциях или радиоактивном распаде.
Изменение массового числа
При ядерных превращениях массовое число может либо сохраняться, либо изменяться:
- При альфа-распаде ядра массовое число уменьшается на 4 (число нуклонов в альфа-частице).
- При бета-распаде массовое число не меняется.
| Исходное ядро | 238U |
| Альфа-распад | 234Th + 4He |
| Бета-распад | 234Pa (массовое число не изменилось) |
Таким образом, отслеживание изменения массовых чисел позволяет изучать механизмы ядерных реакций и радиоактивности.
Нуклоны и массовое число
Массовое число ядра равно общему количеству протонов и нейтронов. Эти частицы называются нуклонами, поэтому массовое число показывает, сколько всего нуклонов находится в данном атомном ядре.
Например, в ядре лития-7 содержится 3 протона и 4 нейтрона. Их сумма как раз и дает массовое число 7. То же самое для ядра урана-235 - в нем насчитывается 92 протона и 143 нейтрона.
Таким образом, зная массовое число, мы можем определить общее количество нуклонов в ядре. А это важно для понимания его свойств и поведения.
Применение данных о массовых числах
Информация о массовых числах находит широкое применение в различных областях науки и техники. Рассмотрим некоторые примеры.
В ядерной физике массовые числа используются при изучении ядерных реакций и радиоактивных превращений. Зная массовые числа исходных ядер и продуктов реакции, можно определить ее механизм, выделение или поглощение энергии и другие параметры.
В радиохимии по массовым числам идентифицируют радиоактивные изотопы, определяют их происхождение в результате ядерных превращений, изучают пути миграции в окружающей среде.
В геохимии и космохимии соотношение содержания стабильных изотопов элементов, имеющих разные массовые числа, несет информацию об источниках вещества, условиях и времени его образования.
Массовое число и атомная масса
Хотя массовое число близко к значению атомной массы изотопа, выраженной в атомных единицах массы (а.е.м.), эти величины не всегда совпадают:
- Массовое число - целое число
- Атомная масса - вещественное число, иногда дробное
Например, у хлора-35 массовое число равно 35, а атомная масса составляет 34,96885 а.е.м. То есть массовое число дает приближенное значение массы атома.
Совпадение имеет место только для изотопа углерода-12, поскольку атомная единица массы определяется как 1/12 массы атома 12C.
Массовые числа изотопов химических элементов
У одного и того же химического элемента может быть несколько стабильных изотопов с различными массовыми числами. Например, для водорода известны изотопы:
- Протий H-1
- Дейтерий D или 2H
- Тритий T или 3H
Другие элементы могут иметь до 10-15 стабильных изотопов. Кроме того, у многих элементов обнаружены десятки нестабильных (радиоактивных) изотопов с разными массовыми числами.
Знание всех изотопов и их массовых чисел необходимо для понимания химических и физических свойств вещества.
Массовое число элемента и его атомная масса
Массовое число элемента обычно указывается для смеси его стабильных изотопов в природном составе. Оно представляет собой средневзвешенное значение массовых чисел отдельных изотопов с учетом их процентного содержания.
Например, массовое число хлора равно 35,45. Это округленное среднее от массовых чисел двух стабильных изотопов хлора:
- 35Cl - 75,77%
- 37Cl - 24,23%
Атомная масса хлора 35,453 а.е.м. тоже является средневзвешенным значением для смеси изотопов.
Таким образом, зная изотопный состав элемента и массовые числа изотопов, можно вычислить массовое число и атомную массу природного элемента.
Изменение изотопного состава
Хотя в природе изотопный состав большинства элементов довольно постоянен, в некоторых случаях под действием различных факторов он может существенно меняться.
Например, изотопный состав углерода в атмосфере, гидросфере и биосфере имеет характерные отличия. Причиной этому служат кинетические и термодинамические эффекты при участии изотопов 12С, 13С и 14С в биохимических и геохимических процессах.
Ядерные реакции также ведут к изменению изотопных соотношений. Например, работа ядерных реакторов и испытания ядерного оружия приводят к появлению искусственных радиоактивных изотопов, которых нет в природе.
Роль нейтронов
Хотя протоны и нейтроны вносят примерно равный вклад в массовое число ядра, роль этих частиц во многих отношениях различна.
Протоны определяют заряд ядра и через это химические свойства элемента. Нейтроны выполняют в основном структурную функцию, обеспечивая связь протонов друг с другом.
Избыток или недостаток нейтронов делает ядро нестабильным и приводит к радиоактивному распаду. Так, у большинства стабильных изотопов отношение числа нейтронов к протонам близко к единице.
Применение в ядерной энергетике
Данные о массовых числах имеют большое значение в ядерной энергетике - как для мирного использования атомной энергии, так и в военных целях.
В ядерных реакторах протекают управляемые цепные реакции деления тяжелых изотопов, таких как уран-235 и плутоний-239. При этом возникают продукты деления с меньшими массовыми числами.
В термоядерном оружии происходит синтез легких изотопов - обычно дейтерия и трития с образованием более тяжелого гелия. Выделяемая при этом колоссальная энергия и носит разрушительный характер.
Массовое число и период полураспада
У радиоактивных изотопов массовое число связано с временем их существования до распада - периодом полураспада. Как правило, чем сильнее массовое число изотопа отклонено от значений, характерных для стабильных нуклидов, тем меньше его период полураспада.
Это справедливо как для легких ядер, так и для самых тяжелых. Например, у большинства долгоживущих изотопов с Z>83 отношение числа нейтронов к числу протонов лежит в диапазоне 1,5-1,6.
