原子の質量数または質量数は、核内の陽子の数と中性子の数の合計です。これらの粒子は核子の名前と交換可能に指定されているため、質量数はそれらの量を表します。
Nを存在する中性子の数、Zを陽子の数とすると、Aを質量数とすると、次のようになります。
A = N + Z
図1.半径には質量数A = 226があり、A = 222でラドンに崩壊し、A = 4のヘリウム原子核を放出します。出典：ウィキメディア・コモンズ。PerOX
質量数の例
よく知られている要素の質量数の例をいくつか示します。
水素
最も安定して豊富な水素原子も最も単純です：1つの陽子と1つの電子。水素原子核には中性子がないため、A = Z = 1となるのは事実です。
酸素
酸素原子核には8つの中性子と8つの陽子があるため、A = 16です。
炭素
地球上の生命は、原子核に6つの陽子と6つの中性子を含む軽い原子である炭素の化学に基づいているため、A = 6 + 6 = 12です。
ウラン
この元素は、以前のものよりもはるかに重く、その放射性特性でよく知られています。ウラン原子核には92個の陽子と146個の中性子があります。次に、その質量数はA = 92 + 146 = 238です。
質量数を取得する方法は？
前述のように、元素の質量数Aは常に、陽子の数とその核に含まれる中性子の数の合計に対応します。それも整数ですが・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
見てみましょう：ウランを除いて、上記のすべての元素は軽いです。先に述べたように、水素原子は最も単純です。中性子はなく、少なくともその最も豊富なバージョンでは、酸素と炭素では、陽子と中性子の数が同じです。
また、7つの陽子と7つの中性子を持つ、生命にとって非常に重要な別のガスである窒素などの他の軽元素でも発生します。ただし、原子核がより複雑になり、原子が重くなるにつれて、中性子の数は異なる速度で増加します。
軽元素とは異なり、92陽子を含むウランは、中性子でその量の約1½倍あります。1½x 92 = 1.5 x 92 = 138。
ご覧のとおり、中性子の数は146にかなり近いです。
図2.安定性曲線。出典：F. Zapata。
これらすべては、図2の曲線から明らかです。これは、核安定曲線として知られている、N対Zのグラフです。そこでは、軽い原子が中性子と同じ数の陽子を持っていること、そしてZ = 20から中性子の数がどのように増加するかを見ることができます。
このようにして、過剰な中性子が陽子間の静電反発力を減少させるため、大きな原子がより安定します。
原子の表記
原子のタイプをすばやく説明する非常に便利な表記法は次のとおりです。元素の記号とそれぞれの原子番号および質量番号は、この図の以下のように記述されます。
図3. Atom表記。出典：F. Zapata。
この表記では、前の例のアトムは次のようになります。
時には、より快適な別の表記法が使用されます。この表記法では、元素の記号と質量番号のみが原子を表すために使用され、原子番号は省略されます。このように、12 6 Cは単に炭素12と表記され、16 8 Oは酸素-16と表記されます。
同位体
核内の陽子の数が元素の性質を決定します。たとえば、核に29個の陽子が含まれているすべての原子は、銅原子です。
何らかの理由で銅原子が電子を失うと仮定します。それでも銅です。しかし今はイオン化された原子です。
原子核が陽子を獲得または失うことはより困難ですが、実際にはそれが発生する可能性があります。たとえば、星の内部では、恒星核は核融合炉のように振る舞うため、重い元素は軽い元素から連続的に形成されます。
そして、ここ地球上で、いくつかの不安定な原子が核子を放出してエネルギーを放出し、他の元素に変換する放射性崩壊の現象があります。
最後に、特定の元素の原子が異なる質量数を持つ可能性があります。この場合、それは同位体です。
良い例は、よく知られている炭素14または放射性炭素です。これは、考古学上の目的に使用されたり、生化学的トレーサーとして使用されています。同じ炭素であり、化学的性質は同じですが、2つの中性子が追加されています。
炭素14は、安定した同位体である炭素12よりも豊富ではなく、放射性もあります。これは、時間の経過とともに崩壊し、エネルギーと粒子を放出して、安定した元素（この場合は窒素）になることを意味します。
炭素同位体
炭素はいくつかの同位体の混合物として自然界に存在し、その中で最も豊富なのは前述の12 6 Cまたは炭素12です。また、炭素14に加えて、中性子が追加された13 6 Cがあります。
これは自然界では一般的です。たとえば、10種類の安定同位体がスズについて知られています。対照的に、ベリリウムとナトリウムのうち、単一の同位体のみが知られています。
天然または人工の各同位体は、変換速度が異なります。同様に、実験室で人工同位体を作成することも可能です。これは一般に不安定であり、非常に短い秒数の時間で放射性崩壊しますが、他の人は地球の年齢以上であればずっと長くかかります。
炭素の天然同位体の表
| 炭素同位体 | 原子番号Z | 質量数A | 豊富％ |
|---|---|---|---|
| 12 6 C | 6 | 12 | 98.89 |
| 13 6 C | 6 | 13 | 1.11 |
| 14 6 C | 6 | 14 | トレース |
実施例
-例1
13 7 Nと14 7 N の違いは何ですか？
応答
Ambos son átomos de nitrógeno, puesto que su número atómico es 7. Sin embargo uno de los isótopos, el que tiene A = 13, tiene un neutrón menos, mientras que el 14 7 N es el isótopo más abundante.
– Ejemplo 2
¿Cuántos neutrones hay en el núcleo de un átomo de mercurio, denotado como 201 80 Hg?
Respuesta
Puesto que A = 201 y Z = 80, y además sabiendo que:
A = Z + N
N = A – Z = 201 – 80 = 121
Y se concluye que el átomo de mercurio tiene 121 neutrones.
Referencias
- Connor, N. What is Nucleon – Structure of Atomic Nucleus – Definition. Recuperado de: periodic-table.org.
- Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
- Sears, Zemansky. 2016. University Physics with Modern Physics. 14th. Ed. Volume 2.
- Tippens, P. 2011. Física: Conceptos y Aplicaciones. 7ma Edición. McGraw Hill.
- Wikipedia. Mass Number. Recuperado de: en.wikipedia.org.