Budowa jądra atomowego i izotopy

Atom składa się z jądra atomowego oraz otaczających je elektronów. Jądro zajmuje bardzo małą część objętości atomu, ale skupia prawie całą jego masę. W jądrze znajdują się protony i neutrony, natomiast elektrony poruszają się poza jądrem.

Proton ma dodatni ładunek elektryczny, neutron nie ma ładunku, a elektron ma ładunek ujemny. Dzięki temu atom może być elektrycznie obojętny albo może występować jako jon. To właśnie budowa jądra decyduje o tym, jaki to pierwiastek i jaką odmianę tego pierwiastka obserwujemy.

Liczba atomowa oznaczana symbolem $Z$ mówi, ile protonów znajduje się w jądrze. To najważniejsza cecha pierwiastka: jeśli atom ma $Z=6$, jest atomem węgla, a jeśli ma $Z=8$, jest atomem tlenu. W atomie obojętnym liczba elektronów jest równa liczbie protonów, czyli również równa $Z$.

Liczba masowa oznaczana symbolem $A$ to liczba wszystkich cząstek w jądrze, czyli protonów i neutronów razem. Protony i neutrony nazywa się wspólnie nukleonami. Zależność między tymi wielkościami opisuje wzór:

$$A=Z+N$$

gdzie $N$ oznacza liczbę neutronów.

Jeśli znamy liczbę masową i atomową, możemy obliczyć liczbę neutronów:

$$N=A-Z$$

Konkretny atom o określonej budowie jądra nazywa się nuklidem. Jego zapis ma postać $^{A}_{Z}\mathrm{X}$, gdzie $\mathrm{X}$ to symbol pierwiastka, $A$ to liczba masowa, a $Z$ to liczba atomowa.

Z takiego zapisu można szybko odczytać najważniejsze informacje:

• liczba protonów = $Z$
• liczba neutronów = $A-Z$
• liczba elektronów w atomie obojętnym = $Z$

Dla przykładu w zapisie $^{23}_{11}\mathrm{Na}$ liczba protonów wynosi $11$, liczba neutronów $23-11=12$, a liczba elektronów w atomie obojętnym też wynosi $11$.

Izotopy to atomy tego samego pierwiastka, które mają tę samą liczbę atomową $Z$, ale różną liczbę neutronów. Skoro liczba protonów jest taka sama, to izotopy należą do tego samego pierwiastka chemicznego. Skoro jednak różni się liczba neutronów, to różna jest również ich liczba masowa $A$.

Przykładem są izotopy wodoru: $^{1}_{1}\mathrm{H}$, $^{2}_{1}\mathrm{H}$ i $^{3}_{1}\mathrm{H}$. Wszystkie mają jeden proton, ale różnią się liczbą neutronów. Podobnie węgiel występuje między innymi jako $^{12}_{6}\mathrm{C}$ i $^{14}_{6}\mathrm{C}$.

Izotopy tego samego pierwiastka mają bardzo podobne właściwości chemiczne, ponieważ zależą one głównie od liczby elektronów. Różnice między izotopami dotyczą przede wszystkim masy atomu i trwałości jądra.

Atom obojętny ma tyle samo protonów co elektronów, więc jego łączny ładunek wynosi zero. Gdy atom utraci elektrony lub przyjmie dodatkowe elektrony, staje się jonem. Trzeba pamiętać, że przy tworzeniu jonu nie zmienia się jądro, czyli nie zmienia się liczba protonów ani liczba masowa jądra.

Nie wszystkie jądra są jednakowo trwałe. Niektóre izotopy są trwałe, a inne są promieniotwórcze, czyli samorzutnie ulegają przemianom jądrowym. Przykładem znanego izotopu promieniotwórczego jest $^{14}_{6}\mathrm{C}$, wykorzystywany między innymi w badaniach naukowych.

Na poziomie licealnym ważne jest przede wszystkim rozumienie, że budowa jądra wpływa na trwałość atomu i możliwość zachodzenia przemian promieniotwórczych.

W zadaniach szkolnych najczęściej trzeba:

• rozpoznać liczbę protonów na podstawie $Z$
• obliczyć liczbę neutronów ze wzoru $N=A-Z$
• ustalić liczbę elektronów w atomie obojętnym
• wskazać, które atomy są izotopami tego samego pierwiastka

Typowy błąd polega na utożsamianiu liczby masowej z masą atomu albo na myleniu protonów z nukleonami. Pamiętaj też, że różne liczby masowe przy tym samym $Z$ oznaczają izotopy, a różne liczby atomowe oznaczają już różne pierwiastki.

Dobrą metodą sprawdzania odpowiedzi jest zawsze zadanie sobie trzech pytań: ile jest protonów, ile neutronów i czy atom jest obojętny, czy zjonizowany. To pozwala uniknąć większości pomyłek.