Массовое число - это что? Понятие, физический смысл, применение

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 · m_N

где M - масса ядра, A - массовое число, m_N ≈ 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:

1. При альфа-распаде ядра массовое число уменьшается на 4 (число нуклонов в альфа-частице).
2. При бета-распаде массовое число не меняется.

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.