Урок №9
Тема: «Атомное ядро. Протонно-нейтронная модель атомного ядра. Ядерные силы и их особенности».
Цель урока: ознакомить учащихся с моделью ядра атома и новым видом взаимодействия между частицами, составляющими ядро атома, ядерными силами; познакомить учащихся с историей открытия протона и нейтрона; раскрыть методы изучения строения ядра атома, формировать материалистическую картину мира.
Тип урока: комбинированный урок
Демонстрации: Презентации «Ядерные силы», «Открытия нейтрона»,
Программа «Открытая физика» Часть2.
Ход урока
1.Организационный момент.
2.Проверка домашнего задания. Выборочно проверить тетради.
3.Актуализазия опорных знаний. Вопросы для фронтального опроса.
1.В каком из перечисленных ниже приборов для регистрации ядерных излучений прохождение быстрой заряженной частицы вызывает появление импульса электрического тока в газе? Выберите правильный ответ.
A. Счетчик Гейгера. Б. Ионизационная камера. B. Камера Вильсона.
2.Укажите правильное окончание фразы: «Действие камеры Вильсона основано на...»
A. явлении кратковременного свечения некоторых веществ, которое
вызывает движущаяся частица. Б. конденсации пересыщенного пара на ионах, которые создает вдоль своей траектории движущаяся частица. B.явлении парообразования в перегретой жидкости на ионах, которые образуются вдоль траектории движущейся частицы.
4.Изучение нового материала
1. Протонно-нейтронная модель атома. Явление естественной радиоактивности, казалось бы, свидетельствовало о том, что в состав ядер атомов входят еще и электроны, поскольку они испускаются при распаде. Так появилась первая протонно-электронная модель ядра.
Число электронов в ядре таково, что суммарный заряд положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов в сумме дает положительный заряд ядра.
Однако протонно-электронная модель ядра, несмотря на ее простоту в процессе изучения атомных ядер была оставлена ввиду ее полной несостоятельности. Очень многие исследования физики ядра входил в противоречие с данной моделью.
Выход из затруднения был найден после того, как был открыт нейтрон в
1932 г. Российский физик и немецкий физик В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра, справедливость которой была впоследствии подтверждена экспериментально.
Ядро атома любого химического элемента состоит из двух видов элементарных частиц: протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно атомному номеру элемента Z в периодической системе элементов. Сумма числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым и обозначают буквой А.
Открытие протона. Опыты Резерфорда, проведенные в 1910—1911 гг., показали, что атомное ядро, находящееся в центре атома, в 10 000 раз меньше размера электронной оболочки и сосредотачивает 99,9 % массы атома, следующее изучение состава ядра проводилось экспериментально с помощью бомбардировки ядра
α-частицами. При подобной бомбардировке из ядра вылетали частицы, входящие в его состав. Первой такой частицей, открытой Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке ядер В, F, Al, P, Ne, Mg и других элементов был протон (от греческого слова protos —первичный), или ядро самого легкого изотопа атома водорода 11Н. Протон р имеет положительный заряд, равный заряду электрона (е = 1,6 * 10-19 Кл), масса протона тр =1,6726231*10-27 кг =1,007276470 а. е. м. Протоны встречаются в земных условиях в свободном состоянии как ядра атома водорода.
Для обозначения протона используются символы: 11H или 11p.
2. Искусственное превращение атомных ядер. В первых опытах регистрация протонов проводилась методом сцинтилляций, и результаты опыта не были достаточно убедительными и надежными. Но спустя несколько лет превращение азота удалось наблюдать в камере Вильсона. Примерно одна α-частица на 50 000, испущенных радиоактивным препаратом в камере, захватывалась ядром азота, что приводило к испусканию протона. При этом ядро азота превращалось в ядро изотопа кислорода:
714N + 24Не 817О + 11Н Фотографии следов в камере Вильсона показали, что изредка след α-частицы заканчивался «вилкой» — разветвление трека. След α-частицы, поглощенной ядром азота, исчезал, а вместо него образовывались два следа: короткий жирный, принадлежавший ядру кислорода, и длинный тонкий — явно не принадлежавший α -частице.
Определив удельный заряд частицы q/т, выяснили, что это след ядра атома водорода. Остальные α-частицы не претерпевали столкновений с ядрами и их треки были прямолинейными.
После осуществлением первой искусственной ядерной реакции были предприняты обширные исследования превращений ядер атомов бора, алюминия, фтора, калия и других под действием α-частиц. В общем виде все эти реакции можно записать так:
ZАХ + 24Н Z+1А+3Y + 11р,
где ZАХ — исходное ядро - мишень, Z+1А+3Y — ядро, полученное в результате реакции. Например:
1327Аl + 24 α 1430Si + 11р
3. Открытие нейтрона. В 1930 г. Боте и Беккер при обстреле, бериллия (49Ве) α-частицами обнаружили сильно проникающее излучение. Поначалу предположили, что ядро бериллия, захватив α -частицу. превращается в возбужденное ядро углерода (613 С), переход которого в нормальное состояние сопровождается испусканием жесткого γ-излучения.
В 1931 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что новое изучение интенсивно выбивает протоны из веществ, содержащих водород. В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик, анализируя работы Боте и Беккера и супругов Жолио-Кюри, пришел к выводу, что наблюдаемые в разных газах пробеги и скорости ядер отдачи могут возникать яри соударении этих ядер не с α -квантами, а с частицами, масса которыx близка к массе протона. Поскольку эти частицы обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ, то, следовательно, они были электрически нейтральными. Ведь заряженная частица сильно взаимодействует с веществом и поэтому быстро теряет свою энергию.
Новая частица была названа нейтроном (от латинского neutron — ни тот ни другой, или нейтральный). Такое название подчеркивало отсутствие у нейтрона электрического заряда. Для обозначения нейтрона используют символ 01n.
Масса нейтрона тп = 1,6749286*10-27 кг =1,008664902 а. е. м. превосходит массу протона на 2,5 массы электрона, отличаясь от массы протона всего на 0,14 %. Нейтроны в свободном виде в земных условиях практически не встречаются из-за их неустойчивости. Нейтрон достаточно быстро самопроизвольно распадается: среднее время жизни нейтрона близко к 15,3 мин.
При попадании α-частиц в ядра бериллия происходит следующая реакция:
49Ве + 24Не 612С + 01п
4.Изотопы (от греческого — isos — одинаковый, topos — место) представляют собой ядра с одним и тем же значением Z, но различными массовыми числами А, т. е. с различным числом нейтронов N. Например, водород имеет три изотопа: 11Н — протий (в ядре только один протон), 12Н — дейтерий (в ядре — протон и нейтрон), 13Н — тритий (в ядре — протон и два нейтрона)
.
5. Нуклоны. В современной физике принимается, что протон и нейтрон — это два так называемых зарядовых состояния одной и той же частицы - нуклона (от латинского nucleus — ядро). Протон — нуклон в заряженном состоянии, нейтрон — в нейтральном. Используя этот термин, можно утверждать, что атомные ядра состоят из нуклонов.
Особенности взаимодействия частиц внутри ядра. Так как ядра весьма устойчивы, то протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра какими-то силами, причем очень большими. Что это за силы? Заведомо можно сказать, что это не гравитационные силы, которые слишком слабы. Устойчивость ядра не может быть объяснена также электромагнитными силами по той причине, что между одноименно заряженными протонами действует электрическое отталкивание. А нейтроны лишены электрического заряда. Значит, между нуклонами в ядре действуют особые силы. Эти силы назвали ядерными.
■ Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электрические силы, они самые мощные силы из всех, которыми располагает природа. Поэтому взаимодействия ядерных частиц часто называют сильными взаимодействиями.
■ Устойчивость ядер, выделение энергии при образовании ядра из нуклонов свидетельствует о том, что ядерные силы вплоть до некоторого расстояния являются силами притяжения. Однако начиная с некоторого расстояния между нуклонами, силы притяжения заменяются силами отталкивания.
■ Другая важная особенность ядерных сил — их короткодействующий характер. Электромагнитные силы сравнительно медленно убывают с расстоянием. Ядерные силы заметно проявляются лишь на расстояниях, равных по порядку величины размерам ядра {10-12 — 10-13 см). Ядерные силы — это, так сказать, «богатырь с очень короткими руками»
В ядерной физике вводится особая единица длины — ферми.1 фм = 10-15 м.
Нейтрон начинает притягиваться к протону, находясь от него на расстоянии, меньшем 2 фм. На расстоянии, меньшем 0,4 фм, действуют мощные силы отталкивания между ними. При расстоянии между нуклонами всего 4,2 фм ядерные силы пренебрежимо малы.
Вопросы к учащимся в ходе изложения нового материала
1. Какая частица называется протоном? нейтроном?
2. Из каких частиц состоит атомное ядро?
3. Что наводит нас на мысль, что в ядре, кроме электрических сил, действуют ядерные силы?
4. Каковы главные особенности ядерных сил?
Задачи, решаемые на уроке
1.Свободные нейтроны превращаются в протоны. Почему обратный процесс возможен только внутри атомных ядер?
Решение. Для превращения в нейтрон протон должен получить дополнительную энергию. В ядре он ее получает от соседних частиц.
Сколько нуклонов в ядре атома бериллия 49Ве? Сколько в нем протонов? нейтронов?
Определите с помощью таблицы , атом какого химического элемента имеет: а) 3 протона в ядре; б) 9 электронов.
Домашнее задание.
