Номер 5, страница 229 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 5. Элементы квантовой физики. Параграф 55. Состав атомного ядра. Задание 44 - номер 5, страница 229.

Условие.

5*. Как вы думаете, почему атомные массы большинства химических элементов, приведённых в таблице Д. И. Менделеева, не целые числа?

Решение.

Атомные массы большинства химических элементов, приведённых в таблице Д. И. Менделеева, являются дробными (нецелыми) числами по двум основным причинам.

1. Существование изотопов. Это главная причина. Большинство химических элементов в природе представляет собой смесь нескольких разновидностей атомов, называемых изотопами. Изотопы — это атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковое число протонов в ядре, но разное число нейтронов. Из-за разного числа нейтронов изотопы одного элемента имеют разные массы. Атомная масса, которую мы видим в периодической таблице, — это средневзвешенное значение масс всех природных изотопов данного элемента, рассчитанное с учётом их процентного содержания (распространённости) в природе.

Например, природный хлор (Cl) состоит из двух основных изотопов: хлор-35 ($^{35}Cl$) с распространённостью примерно 75,77% и хлор-37 ($^{37}Cl$) с распространённостью 24,23%. Относительная атомная масса хлора вычисляется так:

$A_r(Cl) = M(^{35}Cl) \cdot w(^{35}Cl) + M(^{37}Cl) \cdot w(^{37}Cl)$

$A_r(Cl) \approx 35 \cdot 0,7577 + 37 \cdot 0,2423 \approx 26,52 + 8,97 = 35,49$

Более точный расчет, учитывающий точные массы изотопов (34,969 а.е.м. и 36,966 а.е.м.), дает значение 35,453 а.е.м., которое и указано в таблице. Поскольку это среднее значение, оно оказывается дробным.

2. Дефект массы. Масса любого атомного ядра (кроме ядра протия — $^1H$) всегда немного меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов в свободном состоянии. Эта разница в массе, называемая дефектом массы, переходит в энергию связи, которая удерживает нуклоны вместе в ядре, согласно уравнению Эйнштейна $E=mc^2$. Также стоит отметить, что массы протона ($m_p \approx 1,00728$ а.е.м.) и нейтрона ($m_n \approx 1,00866$ а.е.м.) сами по себе не являются целыми числами. Единственный атом, чья масса по определению является целым числом — это углерод-12 ($^{12}C$), масса которого принята за эталон и равна ровно 12 атомным единицам массы.

Таким образом, даже если бы элемент состоял только из одного изотопа, его атомная масса всё равно не была бы строго целым числом (за исключением $^{12}C$).

Ответ: Атомные массы большинства химических элементов не являются целыми числами главным образом потому, что они представляют собой средневзвешенное значение масс всех природных изотопов данного элемента с учётом их процентного содержания в природе. Второстепенной причиной является дефект массы: масса ядра атома всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов, что также приводит к нецелочисленному значению массы.