Nukleonové číslo

Rozbalit box

Obsah boxu

Nukleonové číslo, také označované jako hmotnostní číslo, je fyzikální veličina, která udává celkový počet nukleonů (tedy protonů a neutronů) v atomovém jádře daného atomu. Značí se velkým písmenem A.

Protože protony a neutrony tvoří drtivou většinu hmotnosti atomu, je nukleonové číslo přibližně rovno atomové hmotnosti vyjádřené v atomových hmotnostních jednotkách (amu). Na rozdíl od atomové hmotnosti je však nukleonové číslo vždy celé číslo. Spolu s protonovým číslem (Z) slouží k jednoznačné identifikaci konkrétního nuklidu (typu atomového jádra).

⚛️ Definice a značení

Nukleonové číslo (A) je definováno jako součet protonového čísla (Z) a neutronového čísla (N):

$A = Z + N$

Kde:

A je nukleonové číslo (celkový počet částic v jádře)
Z je protonové číslo (počet protonů), které určuje chemický prvek
N je neutronové číslo (počet neutronů), které spolu s Z určuje konkrétní izotop prvku

Pro zápis konkrétního nuklidu se používá následující notace: $_{Z}^{A} X$ kde X je chemická značka prvku. Například izotop uhlíku se 6 protony a 8 neutrony má nukleonové číslo A = 6 + 8 = 14. Jeho zápis je tedy: $_{6}^{14} C$

Protože protonové číslo Z je již jednoznačně určeno chemickou značkou X (uhlík má vždy Z=6), často se pro zjednodušení vynechává a píše se pouze nukleonové číslo, například ¹⁴C nebo uhlík-14.

📜 Historie konceptu

Koncept nukleonového čísla se vyvíjel souběžně s poznáváním struktury atomového jádra na počátku 20. století.

Objev izotopů: V roce 1913 britský chemik Frederick Soddy zjistil, že mohou existovat atomy stejného chemického prvku, které se liší svou hmotností. Nazval je izotopy. Tím vznikla potřeba rozlišovat nejen počet protonů (který definuje prvek), ale i celkovou hmotnost jádra.
Objev protonu: Ernest Rutherford v roce 1919 identifikoval proton jako základní stavební kámen jádra a nositele kladného náboje. Po nějakou dobu se předpokládalo, že těžší jádra obsahují kromě protonů i "jaderné elektrony", které by neutralizovaly část jejich náboje, což ale vedlo k teoretickým problémům.
Objev neutronu: Klíčový průlom přišel v roce 1932, kdy James Chadwick experimentálně potvrdil existenci neutronu, neutrální částice s hmotností velmi podobnou protonu. Tím byl model jádra složeného z protonů a neutronů (souhrnně nukleonů) potvrzen.
Zavedení pojmů: Po objevu neutronu se rychle ujaly pojmy protonové číslo (Z) pro počet protonů a hmotnostní (později nukleonové) číslo (A) pro celkový počet částic v jádře. Tento model elegantně vysvětlil existenci izotopů jako atomů se stejným počtem protonů, ale odlišným počtem neutronů.

⚙️ Vztah k dalším veličinám

Atomová hmotnost

Nukleonové číslo je často zaměňováno s atomovou hmotností. Ačkoliv spolu úzce souvisí, nejsou totožné:

Nukleonové číslo (A) je vždy celé číslo, protože představuje počet částic.
Atomová hmotnost je skutečná hmotnost atomu, která celočíselná není. Důvodem je:

   1.  Hmotnost protonu a neutronu není přesně 1 amu.
   2.  Při vzniku jádra z jednotlivých nukleonů se část jejich klidové hmotnosti přemění na vazebnou energii podle slavného vzorce E = mc². Tento jev se nazývá hmotnostní schodek a způsobuje, že jádro je vždy lehčí než součet hmotností jeho jednotlivých složek.

Přesto je nukleonové číslo nejbližším celým číslem k hodnotě atomové hmotnosti vyjádřené v amu.

Izotopy, izobary a izotony

Nukleonové číslo je klíčové pro klasifikaci nuklidů:

Izotopy: Nuklidy se stejným protonovým číslem (Z), ale různým nukleonovým číslem (A). Jde o atomy stejného prvku. Příklad: ¹²C, ¹³C, ¹⁴C jsou tři izotopy uhlíku.
Izobary: Nuklidy se stejným nukleonovým číslem (A), ale různým protonovým číslem (Z). Jde o atomy různých prvků. Příklad: ¹⁴C a ¹⁴N jsou izobary.
Izotony: Nuklidy se stejným počtem neutronů (N), ale různým protonovým (Z) i nukleonovým (A) číslem. Příklad: ¹³C (N=7) a ¹⁴N (N=7) jsou izotony.

🔬 Význam a použití

Nukleonové číslo je základní charakteristikou v jaderné fyzice a chemii.

Jaderná stabilita: Poměr mezi počtem neutronů a protonů (N/Z) je rozhodující pro stabilitu jádra. Lehké stabilní prvky mají tento poměr přibližně 1 (N ≈ Z). U těžších prvků je pro stabilitu potřeba více neutronů k překonání elektrostatického odpuzování protonů, takže poměr roste až k hodnotě cca 1,5. Vztah mezi Z, N a stabilitou se graficky znázorňuje v Segrèho diagramu.
Jaderné reakce: Při nízkoenergetických jaderných reakcích, jako je radioaktivní rozpad, platí zákon zachování nukleonového čísla. Celkový počet nukleonů před reakcí a po ní zůstává stejný.

   *   Při alfa rozpadu se z jádra uvolní částice alfa (jádro helia, ²⁴He), takže nukleonové číslo dceřiného jádra se sníží o 4 (A → A-4).
   *   Při beta rozpadu (β⁻ i β⁺) se v jádře přemění jeden nukleon na jiný (neutron na proton nebo naopak), ale jejich celkový počet se nemění. Nukleonové číslo (A) tedy zůstává konstantní.
   *   Při gama rozpadu jádro pouze uvolní přebytečnou energii ve formě fotonu, počet nukleonů se nemění.

Chemie a datování: Rozlišování izotopů na základě jejich nukleonového čísla je klíčové pro metody jako radiokarbonová metoda datování (využívající ¹⁴C) nebo izotopové značení v biochemii.

💡 Pro laiky

Představte si atomové jádro jako pytlík s kuličkami. Kuličky existují ve dvou barvách: červené (to jsou protony) a bílé (to jsou neutrony).

Počet červených kuliček (protonů) určuje, o jaký chemický prvek se jedná. Například 6 červených kuliček znamená, že je to vždy uhlík. Tomuto počtu se říká protonové číslo (Z).
Nukleonové číslo (A) je jednoduše celkový počet všech kuliček v pytlíku, bez ohledu na jejich barvu. Je to součet červených a bílých.

Pokud tedy máme v pytlíku 6 červených kuliček (protonů) a 8 bílých kuliček (neutronů):

Protonové číslo Z = 6 (je to uhlík).
Nukleonové číslo A = 6 (červených) + 8 (bílých) = 14.

Mluvíme pak o atomu "uhlík-14". Nukleonové číslo nám tedy říká, do jaké "váhové kategorie" jádro patří. Není to přesná váha, ale je to velmi blízký celočíselný odhad, protože udává počet těžkých částic uvnitř.

Šablona:Aktualizováno