If you have a given mass of a compound, you can calculate the number of moles. Conversely, if you know how many moles of the compound you have, you can calculate its mass. For either calculation, you need to know two things: the chemical formula of the compound and the mass numbers of the elements that comprise it. An element’s mass number is unique to that element, and it’s listed right underneath the element’s symbol in the periodic table. The mass number of an element is not the same as its atomic number.
TL;DR (Too Long; Didn’t Read)
The atomic mass number of each element appears under its symbol in the periodic table. It’s listed in atomic mass units, which is equivalent to grams/mole.
Atomic Number and Atomic Mass Number
Every element is characterized by a unique number of positively charged protons in its nucleus. For example, hydrogen has one proton, and oxygen has eight. The periodic table is an arrangement of the elements according to increasing atomic number. The first entry is hydrogen, the eighth is oxygen and so on. The place an element occupies in the periodic table is an immediate indication of its atomic number, or the number of protons in its nucleus.
Besides protons, the nuclei of most elements also contains neutrons. These fundamental particles don’t have a charge, but they have roughly the same mass as protons, so they must be included in the atomic mass. The atomic mass number is the sum of all protons and neutrons in the nucleus. The hydrogen atom may contain a neutron, but it usually doesn’t, so the mass number of hydrogen is 1. Oxygen, on the other hand, has an equal number of proteins and neutrons, which raises its mass number to 16. Subtracting an element’s mass number from its atomic mass tells you the number of protons in its nucleus.
Finding the Mass Number
The best place to look for an element’s atomic mass number is in the periodic table. It’s displayed under the symbol for the element. You might be mystified by the fact that in many versions of the periodic table, this number contains a decimal fraction, which you wouldn’t expect if it was derived simply by adding protons and neutrons.
The reason for this is that the number displayed is the relative atomic weight, which is derived from all the naturally occurring isotopes of the element weighted by the percentage of each that occurs. Isotopes are formed when the number of neutrons in an element is more or less than the number of protons. Some of these isotopes, such as carbon-13, are stable, but some are unstable and decay over time to a more stable state. Such isotopes, such as carbon-14, are radioactive.
Virtually all elements have more than one isotope, so each has an atomic mass that contains a decimal fraction. For example, the atomic mass of hydrogen listed in the periodic table is 1.008, that for carbon is 12.011 and that for oxygen is 15.99. Uranium, with an atomic number of 92, has three naturally occurring isotopes. Its atomic mass is 238.029. In practice, scientists usually round mass number to the nearest integer.
Units for Mass
The units for atomic mass have been refined over the years, and today scientists use the unified atomic mass unit (amu, or simply u). It is defined to be equal to exactly one-twelfth the mass of an unbound carbon-12 atom. By definition, the mass of one mole of an element, or Avogadro’s number (6.02 x 1023) of atoms, is equal to its atomic mass in grams. In other words, 1 amu = 1 gram/mole. So if the mass of one hydrogen atom is 1 amu, the mass of one mole of hydrogen is 1 gram. The mass of one mole of carbon is therefore 12 grams, and that of uranium is 238 grams.
Согласно протонно-нейтронной модели строения атомного ядра, заряд ядра должен быть равен сумме зарядов всех протонов, которые входят в его состав. Так как заряд протона равен элементарному заряду, то можно считать, что:
(q) — заряд ядра,
(e) — элементарный заряд,
()
Z
() — количество протонов в ядре.
Количество протонов в ядре
Z
называется зарядовым числом атомного ядра.
Экспериментально было доказано, что число Z совпадает с порядковым номером химического элемента в Периодической системе Менделеева.
Обрати внимание!
Количество протонов в ядре атома совпадает с номером химического элемента в Периодической системе химических элементов и называется зарядовым числом (
Z
).
Массовое число
Количество нейтронов в ядре атома принято обозначать N. Тогда количество протонов и нейтронов в ядре атома можно вычислить как:
A=Z+N.
— количество нуклонов в атоме называется массовым числом.
Изотопы
Химические свойства атома определяются зарядовым числом, так как это число указывает на номер атома в периодической системе, т. е. определяет, какой именно это химический элемент. Физические свойства атома могут быть разными в зависимости от массового числа. Действительно, экспериментально было доказано, что ядра одного и того же химического элемента могут обладать разными массами. Например, в природе существует несколько видов атомов водорода: водород, дейтерий и тритий. Масса дейтерия приблизительно в два, а трития — в три раза больше массы водорода.
Атомы одного и того же химического элемента, но с разными массами, называются изотопами.
Так как изотопы — это атомы одного и того же химического элемента, то зарядовое число у изотопов одинаковое, а массовые числа различные. Это означает, что ядра изотопов содержат одинаковое число протонов и разное количество нейтронов.
Изотопы принято обозначать:
XZA, где
XZA — химический элемент,
A — массовое число,
Z — зарядовое число.
Пример:
— водород,
H12
— дейтерий,
H13
— тритий.
Под элементарными частицами в данном контексте нужно понимать нейтроны, протоны и электроны. Т.е. количество элементарных частиц в атоме равно сумме нейтронов, протонов и электронов этого атома.
Таким образом, вопрос можно разделить на два других:
- Как определить число протонов и нейтронов в атоме?
- Как определить общее число электронов в атоме?
Но в данном случае нам даже не нужно вычислять число нейтронов и протонов в ядре атома – эта информация у нас уже есть! Массовое число (относительная атомная масса) химического элемента есть сумма числа протонов и нейтронов в ядре атома.
A = N + Z
Также напомню, что в нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, которое, в свою очередь, равно порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева.
Таким образом можно составить простейшую формулу для вычисления числа элементарных частиц в атоме:
N (частиц) = A + Z
Где A – массовое число атома химического элемента, а Z – заряд ядра атома (порядковый номер элемента).
Если же вам нужно знать число отдельных элементарных частиц, то:
- число протонов: равно порядковому номера элемента;
- число нейтронов: определяется вычитанием из массового числа атома числа протонов (см. выше);
- число электронов: равно порядковому номеру элемента для нейтрального атома.
Примеры
Определить количество элементарных частиц в атоме 7Li.
Порядковый номер элемента 3 поэтому в атоме содержится 3 электрона.
N (частиц) = 7 (массовое число) + 3 (порядковый номер) = 10
Определить количество элементарных частиц в атоме 59Ni.
Порядковый номер элемента 28 поэтому в атоме содержится 28 электронов.
N (частиц) = 59 (массовое число) + 28 (порядковый номер) = 87
Определить количество элементарных частиц в атоме 96Mo.
Порядковый номер элемента 42 поэтому в атоме содержится 42 электрона.
N (частиц) = 96 (массовое число) + 42 (порядковый номер) = 138
Определить количество элементарных частиц в атоме 207Pb.
Порядковый номер элемента 82 поэтому в атоме содержится 82 электрона.
N (частиц) = 207 (массовое число) + 82 (порядковый номер) = 289
Атомная физика на ОГЭ. Вся теория и разбор заданий от преподавателя MAXIMUM
06.02.2021
19271
Атомная физика — один из труднейших разделов экзамена, а задания по этой теме кочуют из варианта в вариант каждый год. Не пугаемся! Для решения заданий ОГЭ на радиоактивность, распады и ядерные реакции нужно знать лишь самые базовые понятия. Из этой статьи вы узнаете все необходимое — атомная физика на ОГЭ обязательно вам покорится!
В этой статье:
Какие частицы необходимо помнить для сдачи ОГЭКакие ядерные распады нужно знатьАльфа-распадИзотопыБета-распад
Гамма-распадЯдерные реакцииАтомная физика на ОГЭ: что нужно запомнить
Какие частицы необходимо помнить для сдачи ОГЭ
Чтобы перейти к практике и научиться решать хитрые задания, сначала нужно вспомнить теорию, связанную с ними.
Вспомним, что химические элементы обозначаются в виде 
, где
- X – название химического элемента
- А – массовое число, равное сумме протонов и нейтронов
- Z – зарядовое число, равное числу протонов в ядре
Давайте раз и навсегда узнаем, что скрывается за числами рядом с названием каждого элемента. Рассмотрим пример углерода:
- 6 — это порядковый номер и зарядовое число Z. Таким образом, в ядре атома углерода 6 протонов. Z=6.
- 12,011 — это атомная масса. Мы будем его округлять до 12 и называть массовым числом A, то есть суммой протонов и нейтронов. A=12.
- Получается, в ядре атома углерода 6 протонов и 6 нейтронов.
Какие ядерные распады нужно знать
На ОГЭ часто встречаются три типа распадов: альфа, бета и гамма.
Альфа-распад
α-распад — испускание ядром альфа-частицы. Что это такое? Все просто — так называют ядро атома гелия, то есть частицу из двух протонов и двух нейтронов.
- У нас был элемент X с массовым числом A и с зарядовым числом Z
- Атом испускает альфа-частицу с массовым числом=4 и зарядовым числом=2
- Мы получаем новый элемент с массовым числом=A-4 и зарядовым числом=Z-2
В α-распаде заряд уменьшается на 2, а масса уменьшается на 4.
Самостоятельно подготовиться к ОГЭ непросто. На то, чтобы разобраться со всеми темами, понадобится много времени. Но и это не решит проблему! Например, если вы запомнили какое-то решение из интернета, а оно оказалось неправильным, можно на пустом месте потерять баллы. Если хотите научиться решать все задания ОГЭ по физике, обратите внимание на онлайн-курсы MAXIMUM! Наши специалисты уже проанализировали сотни вариантов ОГЭ и подготовили для вас вас максимально полезные занятия.
Приходите к нам на пробный урок! Вы узнаете всю структуру ОГЭ-2021, разберете сложные задания из первой части, получите полезные рекомендации и узнаете, как устроена подготовка к экзаменам в MAXIMUM. Все это абсолютно бесплатно!
Задача 1
Используя фрагмент Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, представленный на рисунке, определите, какое ядро образуется в результате α-распада ядра нептуния-237.
Разбор
- Как мы говорили чуть выше, порядковый номер элемента — это, по совместительству, зарядовое число. То есть, количество протонов. Получается, в Нептунии 93 протона.
- У α-частицы количество протонов = 2.
- Посчитаем, чему равно зарядовое число нашего нового элемента: зарядовое число = 93-2 = 91. Взглянув на табличку, находим элемент под номером 91 — Протактиний.
Ответ: 1) Ядро протактиния
Изотопы
Теперь давай обратим внимание на массовые числа нептуния и протактиния. Отличаются ли они на массовое число альфа-частицы — на 4?
237-231=6
Время бить тревогу! Неужели мы что-то напутали и решили задачу неверно? Но нет, оказывается, мы все сделали правильно — ведь у протактиния более 15 изотопов.
Изотопы — это разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковое зарядовое число, но разные массовые числа.
Например, изотопы азота:
и 
Задача 2
Ядро тория 
превратилось в ядро радия 
. Какую частицу испустило при этом ядро тория?
- нейтрон
- протон
- альфа-частицу
- бета-частицу
Разбор
- Сверху находится массовое число — масса частицы. Вычтем из массы Тория массу Радия: 230-226=4. Получили массу неизвестной частицы.
- Снизу находится зарядовое число — это заряд неизвестной частицы. Вычтем из заряда Тория заряд Радия: 90-88=2. Получили заряд неизвестной частицы.
- Итого: массовое число = 4. Зарядовое число = 2
- Взглянем на табличку самых распространенных частиц.
Вуаля! Наша незнакомка — это альфа-частица — частица с двумя протонами и двумя нейтронами.
Ответ: 3) альфа-частица
https://blog.maximumtest.ru/post/oge-po-fizike-2021-struktura-i-izmeneniya.html
Бета-распад
β-распад — испускание ядром бета-частицы. Бета-частицей называют электрон. Посмотрим в списке основных частиц наверху, чему равны массовое и зарядовое число бета-частицы (электрона).
- У нас был элемент X с массовым числом A и с зарядовым числом Z
- Атом испускает бета-частицу с массовым числом=0 и зарядовым числом=-1
- Мы получаем новый элемент с прежним массовым числом=A и зарядовым числом=Z+1
В β-распаде заряд увеличивается на 1, а масса не меняется.
Задача 3
Изотоп криптона в результате серии распадов превратился изотоп молибдена 
. Сколько β-частиц было испущено в этой серии распадов?
Разбор
- Обозначим количество испущенных β-частиц за N
- Зарядовое число криптона до серии β-распадов равнялось 36
- Зарядовое число молибдена после серии β-распадов 42
- Тогда 42-36=6 β распадов
Ответ: было испущено 6 β распадов
Задача 4
Радиоактивный атом 
превратился в атом 
в результате цепочки альфа- и бета-распадов. Чему было равно число альфа- и бета-распадов?
Разбор
Эта задача требует максимальной концентрации — многие школьники ее решают неверно. Давайте разберем правильный подход к этой задаче.
- Для начала рассмотрим альфа-распады
- Добьемся, чтобы массовое число изменилось с 232 до 208. Для этого производим альфа-распады, вычитая 4 из массового числа и 2 из зарядового числа.
- Получили элемент с массовым числом=208 и зарядовым числом=78. Для этого мы произвели 6 альфа распадов.
- Теперь перейдем к бета-распадам. Бета-распады влияют только на зарядовое число.
- Добьемся того, чтобы зарядовое число изменилось с 78 до 82.
- Получили элемент с массовым числом = 208 и зарядовым числом = 82. Для этого мы произвели 4 бета распада.
Ответ: 6 альфа распадов и 4 бета распада.
Гамма-распад
γ-частицы — это излучение, а γ-распад — испускание ядром гамма-излучения. Пожалуй, это самый простой распад, потому что он ничего не меняет.
Элемент X до распада и элемент Y после распада — это одно и то же.
На ОГЭ ученики часто попадают в ловушки экзамена, считая, что γ-излучение меняет элемент. Но это совсем не так! Какой элемент был до гамма-распада, такой и останется.
При γ-распаде заряд и масса не меняются.
Ядерные реакции
Атомная физика на ОГЭ включает в себя не только распады, но и ядерные реакции. Ядерные реакции происходят при столкновении ядер или элементарных частиц с другими ядрами. В результате изменяется массовое и зарядовое число элементов, появляются новые частицы.
Во всех ядерных реакциях работает очень простой лайфхак: при протекании ядерной реакции сохраняется суммарное массовое число и суммарный заряд.
Сумма масс слева равна сумме масс справа: A1+A2=A3+A4.
Сумма зарядов слева равна сумме зарядов справа: Z1+Z2=Z3+Z4.
Сразу же закрепим эти правила на практике.
Задача 5
В результате столкновения ядра урана с частицей X произошло деление урана, описываемое реакцией:
Определите зарядовое и массовое числа частицы X, с которой столкнулось ядро урана.
Разбор
- Сначала разберемся с массовым числом. Используем лайфхак: то, что слева, равно тому, что справа.
- Также заметим, что у нас 3 нейтрона. Получается, нам нужно умножить массовое число нейтрона на 3.
- С гамма-частицей разобраться легко — как мы показали ранее, она ни на что не влияет.
A+235 = 133+139+3*1
Отсюда A=133+139+3-235=40
- Теперь настал черед зарядового числа.
Z+92 = 36+56+3*0
Отсюда Z=36+56+0-92=0
Ответ: получили элемент X c массовым числом 40 и зарядовым числом 0.
Атомная физика на ОГЭ: что нужно запомнить
- В α-распаде заряд уменьшается на 2, а масса уменьшается на 4.
- α-частица — это ядро атома гелия. α-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов.
- В β-распаде заряд увеличивается на 1, а масса не меняется.
- β-частица — это электрон.
- В γ-распаде заряд и масса не меняются.
- γ-частица — это порция электромагнитного излучения.
- Изотопы — это разновидности атомов (и ядер) какого либо химического элемента, которые имеют одинаковое зарядовое число, но разные массовые числа.
- В ядерных реакциях сохраняется суммарное массовое число и суммарный заряд.
Теперь вы знаете, как решать задания на ядерные распады и реакции! Надеюсь, атомная физика на ОГЭ стала для вас намного понятнее. Если хотите разобраться в остальных темах по физике и не только, обратите внимание на наши онлайн-курсы. Уже более 150 тысяч выпускников подготовились с нами к ОГЭ и ЕГЭ. Кстати, у меня на курсах MAXIMUM тоже можно поучиться! Приходите на бесплатный пробный урок, чтобы познакомиться с нашей образовательной системой и узнать массу полезного про ОГЭ.
`
Лайфхаки экзамена
К рубрике
Содержание
- Примеры массовых чисел
- Водород
- Кислород
- Углерод
- Уран
- Как получить массовое число?
- Обозначения для атомов
- Изотопы
- Изотопы углерода
- Таблица природных изотопов углерода
- Примеры работы
- — Пример 1
- Ответить
- — Пример 2
- Ответить
- Ссылки
В массовое число Массовое число атома — это сумма количества протонов и количества нейтронов в ядре. Эти частицы взаимозаменяемо обозначаются именем нуклоны, поэтому массовое число представляет их количество.
Пусть N — количество присутствующих нейтронов, а Z — количество протонов, если мы назовем A массовым числом, тогда:
А = N + Z
Примеры массовых чисел
Вот несколько примеров массовых чисел для хорошо известных элементов:
Водород
Самый стабильный и многочисленный атом водорода также самый простой: 1 протон и один электрон. Поскольку ядро водорода не имеет нейтронов, верно, что A = Z = 1.
Кислород
В ядре кислорода 8 нейтронов и 8 протонов, поэтому A = 16.
Углерод
Жизнь на Земле основана на химии углерода, легкого атома с 6 протонами в ядре плюс 6 нейтронов, поэтому A = 6 + 6 = 12.
Уран
Этот элемент, намного тяжелее предыдущих, хорошо известен своими радиоактивными свойствами. В ядре урана 92 протона и 146 нейтронов. Тогда его массовое число A = 92 + 146 = 238.
Как получить массовое число?
Как упоминалось ранее, массовое число A элемента всегда соответствует сумме числа протонов и числа нейтронов, содержащихся в его ядре. Это тоже целое число, но … есть ли какое-нибудь правило относительно соотношения между двумя величинами?
Посмотрим: все перечисленные элементы легкие, кроме урана. Атом водорода, как мы уже сказали, самый простой. В нем нет нейтронов, по крайней мере, в его наиболее распространенной версии, а в кислороде и углероде есть равное количество протонов и нейтронов.
То же самое происходит и с другими легкими элементами, такими как азот, еще один очень важный для жизни газ, который имеет 7 протонов и 7 нейтронов. Однако по мере того, как ядро становится более сложным, а атомы становятся тяжелее, количество нейтронов увеличивается с другой скоростью.
В отличие от легких элементов, уран с 92 протонами имеет примерно в 1 ½ раза больше нейтронов: 1 ½ x 92 = 1,5 x 92 = 138.
Как видите, это довольно близко к 146 — количеству нейтронов, которое он имеет.
Все это становится очевидным на кривой на рисунке 2. Это график зависимости N от Z, известный каккривая ядерной устойчивости. Там вы можете увидеть, как легкие атомы имеют такое же количество протонов, что и нейтроны, и как с Z = 20 количество нейтронов увеличивается.
Таким образом, большой атом становится более стабильным, так как избыток нейтронов уменьшает электростатическое отталкивание между протонами.
Обозначения для атомов
Очень полезная запись, которая быстро описывает тип атома, следующая: символ элемента и соответствующие атомные и массовые числа записываются, как показано ниже на этой диаграмме:
В этих обозначениях атомы в предыдущих примерах будут:
Иногда используются другие более удобные обозначения, в которых для обозначения атома используются только символ элемента и массовое число, без атомного номера. Таким образом, 12 6C просто записывается как углерод-12, 16 8Или кислород — 16 и так далее для любого элемента.
Изотопы
Число протонов в ядре определяет природу элемента. Например, каждый атом, ядро которого содержит 29 протонов, является атомом меди, несмотря ни на что.
Предположим, атом меди по какой-то причине теряет электрон, это все равно медь. Однако теперь это ионизированный атом.
Атомному ядру сложнее получить или потерять протон, но в природе это может происходить. Например, внутри звезд более тяжелые элементы непрерывно образуются из легких элементов, поскольку звездное ядро ведет себя как термоядерный реактор.
И прямо здесь, на Земле, есть феномен радиоактивный распад, в котором некоторые нестабильные атомы изгоняют нуклоны и излучают энергию, превращаясь в другие элементы.
Наконец, существует вероятность того, что атом определенного элемента имеет другое массовое число, в данном случае это изотоп.
Хороший пример — всем известный углерод-14 или радиоуглерод, который используется для датировки археологических объектов и как биохимический индикатор. Это тот же углерод с идентичными химическими свойствами, но с двумя дополнительными нейтронами.
Углерод-14 менее распространен, чем углерод-12, стабильный изотоп, а также радиоактивен. Это означает, что со временем он распадается, выделяя энергию и частицы, пока не станет стабильным элементом, которым в его случае является азот.
Изотопы углерода
Углерод существует в природе как смесь нескольких изотопов, наиболее распространенными из которых являются уже упомянутые 126С или углерод-12. А кроме углерода-14 есть 136C с дополнительным нейтроном.
Это обычное явление в природе, например, известно 10 стабильных изотопов олова. С другой стороны, из бериллия и натрия известен только один изотоп.
Каждый изотоп, природный или искусственный, имеет разную скорость превращения. Таким же образом можно создавать искусственные изотопы в лаборатории, которые, как правило, нестабильны и радиоактивно распадаются за очень короткий период долей секунды, в то время как для других требуется гораздо больше времени, равное возрасту Земли или больше.
Таблица природных изотопов углерода
| Изотопы углерода | Атомный номер Z | Массовое число A | Изобилие% |
|---|---|---|---|
| 12 6 C | 6 | 12 | 98.89 |
| 13 6 C | 6 | 13 | 1.11 |
| 14 6 C | 6 | 14 | Следы |
Примеры работы
— Пример 1
В чем разница между137 N и 147 N?
Ответить
Оба являются атомами азота, так как их атомный номер равен 7. Однако один из изотопов с A = 13 имеет на один нейтрон меньше, а 147 N — самый распространенный изотоп.
— Пример 2
Сколько нейтронов находится в ядре атома ртути, обозначаемого как 20180 Hg?
Ответить
Поскольку A = 201 и Z = 80, а также зная, что:
А = Z + N
N = А — Я = 201 — 80 = 121
И делается вывод, что в атоме ртути 121 нейтрон.
Ссылки
- Коннор, Н. Что такое нуклон — Структура атомного ядра — Определение. Получено с: period-table.org.
- Найт, р. 2017. Физика для ученых и инженерии: стратегический подход. Пирсон.
- Сирс, Земанский. 2016. Университетская физика с современной физикой. 14-го. Ред. Том 2.
- Типпенс, П. 2011. Физика: концепции и приложения. 7-е издание. Макгроу Хилл.
- Википедия. Массовое число. Получено с: en.wikipedia.org.