Oznaczenia i symbole

Z treści zapisanych w poprzednim rozdziale dowiedzieliśmy się, że;

• jądro atomu jest bardzo małe w porównaniu z rozmiarami atomu,

• cała masa atomu skupiona jest w jądrze,

• w jądrze znajdują się protony i neutrony.

Badania wykazały, że istnieje wiele różnych rodzajów jąder. Okazało się, że jądra atomów jednego pierwiastka różnią się od jąder atomów wszystkich innych pierwiastków, jak i również jądra tego samego pierwiastka w wielu przypadkach różnią się między sobą. Te różnice możemy odczytac z tabeli układu okresowego. A mianowicie taką wartością, która pozwala odróżniać jądra różnych pierwiastków jest liczba atomowa (Z).

Wartość liczby atomowej (Z) określa ilość protonów w jądrze i jest równa ładunkowi elektrycznemu jądra atomu w jednostkach równych ładunkowi protonu.
liczba protonów = liczba atomowa (Z) = ładunek elektryczny jądra atomu

Rys. 9 Model atomu żelaza

Liczba atomowa ustala również miejsce pierwiastka w układzie okresowym. Otóż jest ona co do wartości równa liczbie porządkowej. Na przykład; dla wodoru (1H), Z = 1, liczba porządkowa ma wartość 1 a ładunek jądra +1, dla żelaza (26Fe), Z = 26, liczba porządkowa ma wartość 26 a ładunek jądra +26. Jądro składa się z Z protonów i N neutronów. Całkowita liczba protonów i neutronów w jądrze nosi nazwę liczby masowej (M) co zapisujemy równaniem. M = Z + N

Wartość liczby masowej (M) jet równa liczbie nukleonów w jądrze.

Otóż okazuje się, że liczba masowa jest liczbą całkowitą, której wartość jest najbardziej zbliżoną do masy atomu wyrażonej w unitach. Przykładem może być atom chloru, którego masa atomu ma wartość 35,45 u.

Rys. 10 Jądro atomu chloru zawiera 17 protonów i 35 - 17 = 18 neutronów

Skąd wynika takie twierdzenie? Proton i neutron mają w przybliżeniu takie same względne masy atomowe, równe 1 u. Wobec tego liczba nukleonów, będzie odpowiadać zaokrąglonej sumie względnych mas protonów i neutronów. Ma to praktyczne znaczenie, ponieważ na podstawie wartości mas atomów podanych w układzie okresowym i wyrażonych w unitach oraz na podstawie wartości liczby atomowej możemy określić skład jądra atomu. Wcześniej podaną wartość masy atomu zaokrąglamy do liczby całkowitej. Sposób określania składu jądra atomu prezentowany jest na rysunku 9. W przykładzie posłużono się atomem chloru, którego masa wynosi 35,45 u. Po zaokrągleniu do liczby całkowitej otrzymamy wartość 35, którą przyjmujemy za wartość liczby masowej.

Mając podaną liczbę masową i liczbę atomową możemy obliczyć liczbę neutronów jako różnicę

N = M - Z

Skład jądra atomu chloru o liczbie masowej równej 35 jest następujący: 17 protonów i 18 neutronów.

Proton pod względem wartości bezwzględnej ma taki sam ładunek elementarny jak elektron, zatem Z jest liczbą ładunkową jądra, która dla elektrycznie obojętnych atomów jest równa liczbie elektronów w powłokach.
Liczba protonów (Z) i liczba masowa (M) są wielkościami charakterystycznymi dla określonego typu pierwiastka i są bardzo często podawane w różnego rodzaju tablicach, min. te wartości możemy odczytać z tablicy układu okresowego.

Rys. 11 Liczba atomowa i masowa

W tablicy układu okresowego wykorzystuje się skrótowe oznaczenia pierwiastka chemicznego (symbole pierwiastka) z dopisanymi wskaźnikami - dolny z lewej strony z podaniem liczby ładunkowej Z, górny - z podaniem liczby masowej M (rys. 11) lub masy atomowej (rys. 12).

Rys. 12 Średnia masa atomowa

Masa atomowa w odróżnieniu od liczby masowej najczęściej nie jest liczbą całkowitą - zobacz układ okresowy. Często jest ona nazwana średnią masą atomową, a dlaczego tak, dowiesz się w kolejnej partii materiału.

Izotopy

W 1912 roku J.J. Thomson, podczas badań promieniowania katodowego (promienie wysyłane przez katodę) w polu elektrycznym i magnetycznym, stwierdził występowanie dwóch rodzajów neonu (Z = 10), jednego o masie około 20 razy, a drugiego około 22 razy większej od protonu. Nazwano je izotopami, od greckich słów isos - taki sam i tops - miejsce (w układzie okresowym).

Izotopy różnią się liczbą masową.

W kolejnych latach badania nad pierwiastkami wykazały, że wszystkie znane pierwiastki mają dwa lub więcej izotopów.

Przykładem jest atom węgla.

Rys. 13 Izotopy węgla

Wszystkie atomy węgla (C), niezależnie od pochodzenia, mają 6 protonów i 6 elektronów. Ale okazuje się, że atomy węgla mogą mieć dwie wartości liczb masowych, tj. 12 i 14 (rys. 2.11). Z tego wynika, że jądro atomu węgla ^12C zawiera 6 protonów i 6 neutronów a jądro atomu węgla ^14C posiada 6 protonów (liczba atomowa) i 8 neutronów (8=14-6). Te izotopy znane są jako "węgiel-14" i "wegiel-12". Z ogólnej ilości izotopów węgla - węgla-12 jest najwięcej (ok.99%).

Większość naturalnych pierwiastków zawiera mieszaninę różnych izotopów. Najwięcej typów trwałych izotopów zawiera cyna - bo aż 10 rodzajów. Pierwiastków czystych składających się z jąder (izotopów) tylko jednego rodzaju jest 22 tj. Be, F, Na, Al., P, Sc, V, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Tl, Au, Bi.
To że pierwiastki naturalne są mieszaniną różnych izotopów ma wpływ na wyznaczoną doświadczalnie wartość rzeczywistej masy atomu. W tym przypadku o rzeczywistej wartości masy atomu decyduje zawartość procentowa poszczególnych izotopów. Tak wyznaczona masa atomowa nosi nazwę średniej masy atomowej (rys.11).

Przykład

Naturalny chlor składa się z mieszaniny dwóch izotopów, oznaczonych odpowiednio jako chlor 35 i chlor 37. W mieszaninie zawartość procentowa poszczególnych izotopów wynosi; chlor 35 o masie atomowej 34,968 u - 75,53 %, chlor 37 o masie atomowej 36,956 u - 24,47 %. Oblicz masę atomową naturalnego chloru ? Rozwiązanie 10000 dowolnie wybranych atomów chloru będzie zawierało. 7553 atomy (o masie 34,968 u), co daje masę = 264100 u 2447 atomów (o masie 36,956 u), co daje masę = 90430 u Suma mas daje wartość = 354530 u Stąd średnia masa atomowa wynosi 354530/10000 = 35,45 u.

W przykładzie masy atomów izotopów chloru-35 (34,968 u) i chloru-37 (36,956 u) nie są tymi samymi masami jakie otrzymamy z sumowania wartości mas poszczególnych składników jądra, tj. protonów i neutronów. Na przykład sumując masy protonów i neutronów dla izotopu chlor-35 otrzymamy wartość - 35,2798 u. Jest to wartość większa od podanej w przykładzie dla izotopu chlor-35, która wynosi 34,968 u. Dlaczego występuje różnica i skąd ona bierze się uzyskasz odpowiedź w następnym rozdziale.
Wartości średnich mas atomowych wyznaczono dla wszystkich pierwiastków i są dostępne w różnego rodzaju tablicach.
Izotopy tego samego pierwiastka mają bardzo zbliżone właściwości chemiczne, ponieważ o właściwościach chemicznych atomu decyduje liczba elektronów oraz energia oddziaływań.

Inne pojęcia związane z liczbą masową i liczbą atomową

Często używane jest słowo nuklid. Oznacza ono zbiór atomów o tej samej wartości liczby atomowej i masowej. Nuklidy oznacza się symbolem pierwiastka i liczbą masową A. Dodatkowo można podać liczbę atomową Z.

• węgiel ₆¹²C: jest nuklidem zawierającym 6 protonów i 6 neutronów

Jądra o tej samej liczbie masowej nazywa się izobarami, np. jądro H-3 i He-3.
Natomiast jądra o takim samym składzie a różniące się tylko energią nazywa się izomerami. Izomer jądrowy różni się od jądra w zwykłym stanie nie składem jądra, lecz jego strukturą co oznaczamy przez dodanie litery m przy liczbie masowej. Na przykład ; ^115mJn, oznacza izomer jądra ¹¹⁵Jn.

---