Массовое число (символ A , от немецкого слова: Atomgewicht , «атомный вес»), [1] также называемое атомным массовым числом или нуклонным числом , представляет собой общее число протонов и нейтронов (вместе известных как нуклоны ) в атомном ядре . Оно приблизительно равно атомной (также известной как изотопная ) массе атома , выраженной в атомных единицах массы . Поскольку протоны и нейтроны являются барионами , массовое число A совпадает с барионным числом B ядра (а также всего атома или иона ). Массовое число различно для каждого изотопа данного химического элемента , и разница между массовым числом и атомным числом Z дает число нейтронов ( N ) в ядре: N = A − Z. [2 ]
Массовое число пишется либо после названия элемента, либо в виде надстрочного индекса слева от символа элемента. Например, наиболее распространенным изотопом углерода является углерод-12 , или12
С
, который имеет 6 протонов и 6 нейтронов. Полный символ изотопа также будет иметь атомный номер ( Z ) в качестве нижнего индекса слева от символа элемента, непосредственно под массовым числом:12
6С
. [3]
Различные типы радиоактивного распада характеризуются изменениями массового числа, а также атомного числа , согласно закону радиоактивного смещения Фаянса и Содди . Например, уран-238 обычно распадается путем альфа-распада , где ядро теряет два нейтрона и два протона в форме альфа-частицы . Таким образом, атомное число и число нейтронов уменьшаются на 2 ( Z : 92 → 90, N : 146 → 144), так что массовое число уменьшается на 4 ( A = 238 → 234); результатом является атом тория-234 и альфа-частица (4
2Он2+
): [4]
С другой стороны, углерод-14 распадается путем бета-распада , при котором один нейтрон преобразуется в протон с испусканием электрона и антинейтрино . Таким образом, атомный номер увеличивается на 1 ( Z : 6 → 7), а массовое число остается прежним ( A = 14), в то время как число нейтронов уменьшается на 1 ( N : 8 → 7). [5] Полученный атом — азот-14 с семью протонами и семью нейтронами:
Бета-распад возможен, поскольку различные изобары [6] имеют разницу масс порядка нескольких масс электронов . Если это возможно, нуклид подвергнется бета-распаду на соседнюю изобару с меньшей массой. При отсутствии других режимов распада каскад бета-распадов заканчивается на изобаре с наименьшей атомной массой .
Другим типом радиоактивного распада без изменения массового числа является испускание гамма -излучения из ядерного изомера или метастабильного возбужденного состояния атомного ядра. Поскольку в этом процессе все протоны и нейтроны остаются в ядре неизменными, массовое число также не изменяется.
Массовое число дает оценку изотопной массы, измеренной в атомных единицах массы (u). Для 12 C изотопная масса равна точно 12, поскольку атомная единица массы определяется как 1/12 массы 12 C. Для других изотопов изотопная масса обычно находится в пределах 0,1 u массового числа. Например, 35 Cl (17 протонов и 18 нейтронов) имеет массовое число 35 и изотопную массу 34,96885. [7] Разница фактической изотопной массы за вычетом массового числа атома известна как избыток массы , [8] который для 35 Cl равен –0,03115. Избыток массы не следует путать с дефектом массы , который представляет собой разницу между массой атома и его составными частицами (а именно протонами , нейтронами и электронами ).
Избыток массы может быть вызван двумя причинами:
Массовое число также не следует путать со стандартным атомным весом (также называемым атомным весом ) элемента, который представляет собой отношение средней атомной массы различных изотопов этого элемента (взвешенной по распространенности) к атомной массовой константе . [9] Атомный вес представляет собой массовое отношение, в то время как массовое число является подсчитанным числом (и, следовательно, целым числом).
Это средневзвешенное значение может существенно отличаться от почти целых значений для отдельных изотопных масс. Например, есть два основных изотопа хлора : хлор-35 и хлор-37. В любом образце хлора, который не был подвергнут разделению по массе, будет примерно 75% атомов хлора, которые являются хлором-35, и только 25% атомов хлора, которые являются хлором-37. Это дает хлору относительную атомную массу 35,5 (фактически 35,4527 г/ моль ).
Более того, средневзвешенная масса может быть почти целой, но при этом не соответствовать массе какого-либо природного изотопа. Например, бром имеет только два стабильных изотопа, 79Br и 81Br , присутствующих в природе примерно в равных долях, что приводит к стандартной атомной массе брома, близкой к 80 (79,904 г/моль), [10] хотя изотоп 80Br с такой массой нестабилен.