МАССА АТОМА

Массовое число.

Массовое число - это суммарное число протонов и нейтронов в ядре атома. Оно обозначается символом А.

Говоря о конкретном атомном ядре, обычно употребляют термин нуклид, а ядерные частицы протоны и нейтроны - в совокупности называют нуклонами.

Атомный номер.

Атомный номер элемента совпадает с числом протонов в ядре его атома. Он обозначается символом Z. Атомный номер связан с массовым числом следующим соотношением:

где N - число нейтронов в ядре атома.

Каждый химический элемент характеризуется определенным атомным номером. Другими словами, никакие два элемента не могут иметь одинаковый атомный номер. Атомный номер равен не только числу протонов в ядре атомов данного элемента, но также равен числу электронов, окружающих ядро атома. Это объясняется тем, что атом в целом представляет собой электрически нейтральную частицу. Таким образом, число протонов в ядре атома равно числу электронов, окружающих ядро. Это утверждение не относится к ионам, которые, разумеется, представляют собой заряженные частицы.

Первое экспериментальное обоснование атомных номеров элементов получил в 1913 г. Генри Мозли, работавший в Оксфорде. Он бомбардировал твердые металлические мишени катодными лучами. (В 1909 г. Баркла и Кайи уже показали, что любой твердый элемент при бомбардировке быстрым пучком катодных лучей испускает рентгеновские лучи, характеристические для данного элемента.) Мозли анализировал характеристическое рентгеновское излучение, пользуясь фотографической методикой регистрации. Он обнаружил, что длина волны характеристического рентгеновского излучения увеличивается с возрастанием атомного веса (массы) металла и показал, что квадратный корень из частоты этого рентгеновского излучения прямо пропорционален некоторому целому числу, которое он обозначил символом

Мозли установил, что это число приблизительно совпадает с половиной значения атомной массы. Он пришел к выводу, что это число - атомный номер элемента - является фундаментальным свойством его атомов. Оно оказалось равно числу протонов в атоме данного элемента. Таким образом, Мозли связал частоту характеристического рентгеновского излучения с порядковым номером излучающего элемента (закон Мозли). Этот закон имел большое значение для утверждения периодического закона химических элементов и установления физического смысла атомного номера элементов.

Исследование Мозли позволило ему предсказать существование трех недостававших к тому времени в периодической таблице элементов с атомными номерами 43, 61 и 75. Эти элементы были обнаружены позже и получили названия технеций, прометий и рений соответственно.

Мозли погиб в боях первой мировой войны.

Символы нуклидов.

Массовое число нуклида принято указывать в виде верхнего индекса, а атомный номер в виде нижнего индекса слева от символа элемента. Например, запись означает, что этот нуклид углерода (как и все другие нуклиды углерода) имеет атомный номер 6. Данный конкретный нуклид имеет массовое число 12. Другому нуклиду углерода отвечает символ Поскольку все нуклиды углерода имеют атомный номер 6, указанный нуклид часто записывают просто как или углерод-14.

Изотопы.

Изотопами называются различные по свойствам атомные разновидности одного элемента. Они различаются числом нейтронов в их ядре. Таким образом, изотопы одного элемента имеют одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. В табл. 1.1 приведены значения массового числа А, атомного номера Z и числа нейтронов N в ядре атомов каждого из трех изотопов углерода.

Таблица 1.1. Изотопы углерода

Изотопное содержание элементов.

В большинстве случаев каждый элемент представляет собой смесь различных изотопов. Содержание каждого изотопа в такой смеси называется изотопным содержанием. Например, кремний обнаруживается в соединениях, которые встречаются в природе, с таким естественным изотопным содержанием: . Обратите внимание, что суммарное изотопное содержание элемента должно составлять в точности 100%. Относительное изотопное содержание каждого из указанных изотопов составляет соответственно 0,9228, 0,0467 и 0,0305. Сумма этих чисел составляет в точности 1,0000.

Атомная единица массы (а.е.м.).

В настоящее время в качестве стандарта для определения атомной единицы массы принимается масса нуклида Этому нуклиду приписывается масса 12,0000 а.е.м. Таким образом, атомная единица массы равна одной двенадцатой части массы этого нуклида. Истинное значение атомной единицы массы составляет кг. Три фундаментальные частицы, являющиеся составными частями атома, имеют следующие массы:

масса протона = 1,007277 а.е.м.

масса нейтрона = 1,008 665 а.е.м.

масса электрона = 0,000 548 6 а. е. м.

Пользуясь этими значениями, можно вычислить изотопную массу каждого конкретного нуклида. Например, изотопная масса нуклида представляет собой сумму масс 17 протонов, 18 нейтронов и 17 электронов:

Однако точные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что изотопная масса имеет значение 34,968 85 а. е. м. Расхождение между вычисленным и экспериментально найденным значениями составляет Оно называется дефектом массы, причина возникновения дефекта массы объясняется в разд. 1.3.

В шкале относительных атомных масс изотопные массы представляют как результат их деления на одну двенадцатую часть массы нуклида . Таким образом, относительная изотопная масса изотопа равна

Обратите внимание, что относительные изотопные массы выражаются в безразмерных единицах.

Относительная атомная масса АТ химического элемента представляет собой арифметическое среднее из относительных изотопных масс с учетом изотопного содержания. Она вычисляется суммированием произведений относительной изотопной массы каждого изотопа и его относительного содержания.

Пример

Вычислим относительную атомную массу хлора по следующим данным:

Решение