Вступ: чому атомна фізика — одна з ключових тем НМТ з фізики
Будова атома та ядерні процеси — один із розділів, який щороку з’являється в тесті НМТ з фізики: зазвичай на цю тему припадає 3-5 завдань, тобто близько 10% усіх балів за предмет. Попри це випускники часто недооцінюють розділ і залишають його на останні дні підготовки, адже плутають протонне число з масовим, забувають правила зміщення при розпаді чи неправильно застосовують формулу періоду напіврозпаду. У цій статті — покроковий розбір того, що таке атом і з чого складається атом, як влаштоване ядро атома та які ядерні реакції варто знати перед іспитом, з прикладами типових завдань.
Будова атома: з чого складається атом
Уявлення про будову атома змінювалося поступово: спочатку атом вважали неподільним, потім Томсон запропонував модель “пудингу з родзинками”, а вирішальний внесок зробив Резерфорд — дослідами з розсіювання альфа-часток він довів, що атом складається з маленького важкого ядра та електронної оболонки навколо нього. Так виникла планетарна модель атома — ядро в центрі, а електрони рухаються навколо нього подібно до планет навколо Сонця. Пізніше цю модель уточнив Бор, а сучасна квантова фізика описує рух електронів через імовірність їх знаходження в певній області простору.
Отже, атом складається з двох основних частин: ядра атома, де зосереджена майже вся маса, і електронної оболонки, яка визначає розмір атома та його хімічні властивості. Будова атомів різних елементів підпорядкована однаковій логіці — відрізняється лише кількість часток у ядрі й на оболонках. Для запам’ятовування структури атома є зручна аналогія зі стадіоном: ядро атома — це маленький м’яч у центрі поля, а електрони — вболівальники, що рухаються по трибунах на величезній відстані від нього.
Протони, нейтрони, електрони: властивості та відмінності
Ядро атома складається з протонів і нейтронів, які об’єднують спільним терміном “нуклони”. Саме співвідношення протонів і нейтронів визначає будову ядра атома конкретного елемента. Електрони ж утворюють електронну оболонку навколо ядра.
Протон має заряд +1 (заряд протона дорівнює за модулем заряду електрона, але протилежний за знаком) і масу приблизно 1 атомну одиницю маси. Нейтрон електрично нейтральний, а його маса трохи більша за масу протона. Електрон має заряд -1 і масу, яка приблизно в 1836 разів менша за масу протона, тому саме нуклони визначають атомну масу елемента.
Протонне число, масове число та ізотопи
Кожен хімічний елемент характеризують двома числами. Протонне число Z (його ще називають атомним номером) — це кількість протонів у ядрі, вона ж визначає, до якого елемента належить атом. Масове число A — це сумарна кількість нуклонів, тобто протонів і нейтронів разом. Кількість нейтронів у ядрі знаходять за простою формулою: N = A – Z.
Символ елемента прийнято записувати з масовим числом угорі зліва та протонним числом унизу зліва, наприклад запис для урану виглядає як ²³⁸₉₂U.
Атоми одного елемента можуть мати різну кількість нейтронів — такі різновиди називають ізотопами. Наприклад, у Гідрогену є три ізотопи: протій (без жодного нейтрона), дейтерій (з одним нейтроном) і тритій (з двома нейтронами, до того ж радіоактивний). Усі три мають однакове протонне число Z = 1, але різне масове число.
Радіоактивність і види радіоактивного розпаду
Радіоактивність — явище мимовільного перетворення нестабільних ядер, яке ще у 1896 році відкрив Анрі Беккерель, спостерігаючи, як солі урану засвічують фотопластинку без жодного зовнішнього впливу. Розрізняють три основні типи розпаду.
Альфа-розпад — ядро випромінює альфа-частку (ядро Гелію, 2 протони й 2 нейтрони), тому масове число зменшується на 4, а протонне — на 2. Бета-розпад відбувається, коли нейтрон у ядрі перетворюється на протон з випромінюванням електрона, тому масове число не змінюється, а протонне зростає на 1. Гамма-випромінювання зазвичай супроводжує альфа- чи бета-розпад: ядро позбувається надлишку енергії, випромінюючи гамма-квант, а склад ядра при цьому не змінюється.
Ці залежності описують правила зміщення (правила Содді): за альфа-розпаду елемент зміщується на дві клітинки назад у періодичній системі, за бета-розпаду — на одну клітинку вперед.
Швидкість розпаду характеризує період напіврозпаду — час, за який розпадається рівно половина початкової кількості радіоактивних ядер. Кількість ядер, що залишилися нерозпаданими, обчислюють за формулою N = N₀ × (1/2)^(t/T), де T — період напіврозпаду. Наприклад, якщо період напіврозпаду ізотопу становить 8 діб, то через 24 доби (тобто через три періоди) нерозпаданою залишиться лише 1/8 початкової кількості речовини.
Ядерні реакції: поділ та синтез
У будь-якій ядерній реакції виконуються два закони збереження: сумарний заряд (протонне число) і сумарне масове число до та після реакції залишаються незмінними — це зручно перевіряти при складанні рівнянь реакцій.
Реакція поділу ядра відбувається, коли важке ядро, наприклад Урану-235, після захоплення нейтрона розколюється на два легші ядра, вивільняючи кілька нових нейтронів і величезну кількість енергії. Ці нейтрони можуть викликати поділ сусідніх ядер — так виникає ланцюгова реакція, яка лежить в основі роботи атомних реакторів.
Термоядерний синтез — протилежний процес: легкі ядра, найчастіше ізотопи Гідрогену, зливаються в одне важче ядро. Саме термоядерний синтез є джерелом енергії Сонця і центральних зірок, а на Землі його намагаються відтворити для отримання енергії керованим шляхом.
Обидва процеси пояснюються через енергію зв’язку ядра та дефект маси: маса ядра завжди трохи менша за суму мас окремих нуклонів, а ця різниця (дефект маси) перетворюється на енергію зв’язку за формулою Ейнштейна E = mc². Саме вона вивільняється чи поглинається під час ядерних реакцій.
Типові завдання НМТ з атомної та ядерної фізики: розбір прикладів
Завдання 1. Визначте склад ядра атома за символом ²³⁸₉₂U.
Розв’язання: протонне число Z = 92, отже в ядрі 92 протони; масове число A = 238, тому кількість нейтронів N = A – Z = 238 – 92 = 146.
Завдання 2. Період напіврозпаду ізотопу дорівнює 8 діб. Яка частка початкової кількості речовини розпадеться через 24 доби?
Розв’язання: 24 доби — це три періоди напіврозпаду. Залишається (1/2)³ = 1/8 початкової кількості, отже розпалося 7/8 речовини.
Завдання 3. Складіть рівняння альфа-розпаду Радію-226.
Розв’язання: ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He. Перевірка: масові числа 226 = 222 + 4, протонні числа 88 = 86 + 2 — закони збереження виконані.
У тестових завданнях цієї теми варто завжди перевіряти рівняння через закони збереження заряду й масового числа — це найшвидший спосіб відсіяти неправильні варіанти відповіді.
Типові помилки випускників при вивченні атомної фізики
Найчастіша помилка — плутанина між протонним і масовим числом, через яку неправильно рахують кількість нейтронів. Друга типова помилка — неправильне застосування правил зміщення: учні забувають, у який бік (вперед чи назад по таблиці) зміщується елемент при альфа- і при бета-розпаді. Третя помилка трапляється в розрахунках періоду напіврозпаду: плутають кількість періодів, що минули, з часткою речовини, яка розпалася чи залишилася. Щоб уникнути цих помилок, корисно щоразу явно виписувати Z і A окремо та перевіряти рівняння реакції через закони збереження.
Як ефективно підготуватися до теми “Атомна фізика” перед НМТ
За кілька днів до іспиту розділ можна повторити за таким планом: спочатку відновіть у пам’яті будову атома та значення Z і A, потім пройдіться по видах розпаду і правилах зміщення, а насамкінець розв’яжіть 8-10 завдань з демоваріантів НМТ минулих років. Корисно скласти власну шпаргалку-схему “будова атома” на одному аркуші — з ядром, нуклонами, електронною оболонкою та формулами періоду напіврозпаду. Фізика атомного ядра здається складною лише на перший погляд: якщо чітко розділяти модель атома в цілому та процеси всередині самого ядра, більшість завдань розв’язуються за кілька хвилин. Якщо після самостійного повторення залишаються прогалини — не варто губити на них бали на іспиті. Запишіться на безкоштовний пробний урок з фізики: досвідчений викладач визначить, які саме теми з атомної та ядерної фізики варто підтягнути, і складе для вас індивідуальний план підготовки до НМТ.
- Будова Атома та Ядерні Процеси на НМТ - 27.09.2026
- Методи Запам’ятовування для НМТ: Мнемотехніка і Картки - 25.09.2026
- Похідні та інтеграли на НМТ: покроковий розбір завдань - 12.09.2026