Номер 11, страница 230 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 9. Физика атома и атомного ядра. Параграф 45. Радиоактивность. Состав атомного ядра. Вопросы - номер 11, страница 230.

Условие.

11.Почему атомные массы большинства химических элементов в Периодической системе Д.И. Менделеева выражены не целыми, а дробными числами?

Решение.

Решение

Атомные массы большинства химических элементов, указанные в Периодической системе Д.И. Менделеева, являются дробными числами, а не целыми, по двум основным причинам.

Главная причина — это существование изотопов. Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов в ядре. Из-за этого изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра (и порядковый номер), но разную массу.

В природе большинство элементов представляет собой смесь нескольких стабильных изотопов, каждый из которых имеет определенную долю в этой смеси (природную распространённость). Атомная масса, которую мы видим в Периодической системе, является средней относительной атомной массой. Она рассчитывается как средневзвешенное значение масс всех природных изотопов элемента.

Формула для расчёта средней относительной атомной массы ($A_r$) элемента выглядит так:

$A_r = (m_1 \cdot \omega_1) + (m_2 \cdot \omega_2) + \dots + (m_n \cdot \omega_n) = \sum_{i=1}^{n} (m_i \cdot \omega_i)$

где $m_i$ — масса i-го изотопа, а $\omega_i$ — его молярная доля (распространённость) в природной смеси.

Например, природный хлор (Cl) состоит из двух основных изотопов: ${}^{35}\text{Cl}$ (масса ≈ 34.969 а.е.м., распространённость 75.77%) и ${}^{37}\text{Cl}$ (масса ≈ 36.966 а.е.м., распространённость 24.23%).

Его средняя атомная масса рассчитывается следующим образом:

$A_r(\text{Cl}) = (34.969 \cdot 0.7577) + (36.966 \cdot 0.2423) \approx 26.496 + 8.957 \approx 35.453$ а.е.м.

Полученное значение является дробным, что и отражено в Периодической системе.

Вторая, менее значимая, причина — это дефект масс. Масса атомного ядра всегда немного меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов в свободном состоянии. Эта разница масс (дефект массы) соответствует энергии связи ядра ($E=mc^2$). Из-за этого даже массы отдельных изотопов (за исключением углерода-12, принятого за эталон) не являются строго целыми числами. Однако основной вклад в дробность атомных масс вносит именно усреднение по изотопному составу.

Ответ: Атомные массы большинства химических элементов являются дробными, потому что они представляют собой средневзвешенное значение масс всех природных изотопов данного элемента. Так как элементы в природе существуют в виде смеси изотопов с разной массой и разной процентной долей, их усреднённая масса почти всегда оказывается нецелым, дробным числом.