Хід уроку.

Урок № 8

Тема: Склад ядра атома.

Мета: 1) познайомити учнів із історією відкриття протона й нейтрона; розкрити методи вивчення будови ядра атома; познайомити учнів із моделлю ядра атома та новим видом взаємодії між частинками, які складають ядро атома,—ядерними силами.

2) формувати навички абстрактного мислення під час пояснення моделі атома;

3) розвивати вміння креслити моделі атомів.

Обладнання: відеофільм: «Склад ядра атома».

І.Актуалізація опорних знань: (5хв)

Самостійна робота.

ІІ. Мотивація навчальної діяльності: (5хв)

Перегляд підібраних слайдів з вищезазначеної тематики, на яких відображені ті явища, які будемо пояснювати при вивченні нового матеріалу.

ІІІ. Вивчення нового матеріалу :(50хв)

1.Відкриття протона.Досліди Резерфорда, проведені в 1910—1911 роках, показали, що атомне ядро, розташоване в центрі атома, в 10 000разів менше за розмір електронної оболонки й зосереджує 99,9% маси атома. Подальше вивчення складу ядра проводилося експериментально за допомогою бомбардування ядра α -частинками. Під час подібного бомбардування з ядра вилітали частинки, які входять до його складу. Першою такою частинкою, відкритою Резерфордом 1919 року під час бомбардування ядер В, F, A1, Р, Ne, Mg та інших елементів, був протон (від грец. protos — перший, первинний), або ядро найлегшого ізотопу атома Гідрогену Н. Протон р має позитивний заряд, який дорівнює зарядові електрона (е = 1,6 · 10-19 Кл), маса протона тр= 1,6726231 · 10-27 кг =1,007276470 а. о. м. Уприродних умовах у вільному стані протони спостерігаються у вигляді ядер атома Гідрогену.

Для позначення протона використовуються символи: Н або р.

2.Штучне перетворення атомних ядер.У перших дослідах реєстрація протонів проводилася методом сцинтиляцій, і результати досліду не були досить переконливими й надійними. Але через кілька років перетворення Нітрогену вдалося спостерігати в камері Вільсона. Приблизно одна α частинка на 50 000,випущених радіоактивним препаратом у камері, захоплювалася ядром Нітрогену, наслідком чого було випромінювання протона. При цьому ядро Нітрогену перетворювалося на ядро ізотопу Оксигену:

Фотографії слідів у камері Вільсона показали, що зрідка слід α -частинки закінчувався «вилкою» — розгалуженням треку. Слід α -частинки, поглиненої ядром Нітрогену, зникав, а замість нього утворювалися два сліди: короткий жирний, котрий належав ядру Оксигену, і довгий тонкий, який явно не належав α -частинці.

Визначивши питомий заряд частинки , з'ясували, що це слід ядра атома Гідрогену. Інші α -частинки не зазнавали зіткнень із ядрами, їхні треки були прямолінійними.

Після здійснення першої штучної ядерної реакції були розпочаті численні дослідження перетворень ядер атомів Бору, Алюмінію, Флуору, Калію та інші під дією α -частинок. У загальному вигляді всі ці реакції можна записати так:

,

 

де — вихідне ядро-мішень, — ядро, добуте в результаті реакції. Наприклад:

.

 

3. Відкриття нейтрона.У 1930 році Боте й Беккер під час опромінення Берилію () α-частинками виявили сильно проникаюче випромінювання. Спочатку припустили, що ядро Берилію, захопивши α-частинку, перетворюється на збуджене ядро Карбону , перехід якого в нормальний стан супроводжується жорстким γ-випромінюванням.

У 1931 р, Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі виявили, що нове випромінювання інтенсивно вибиває протони з речовин, які містять Гідроген. У 1932 році англійський фізик.Дж. Чедвік, аналізуючи роботи Боте й Беккера та подружжя Жоліо-Кюрі, дійшов висновку, що пробіги, які спостерігаються в різних тазах, і швидкості ядер віддачі можуть виникати при зіткненні цих ядер не з γ-квантами, а з частинками, маса яких близька до маси протона. Ці частинки мали велику проникну здатність і безпосередньо не іонізували газу, таким чином, вони були електрично нейтральними. Адже заряджена частинка сильно взаємодіє з речовиною і тому швидко втрачає свою енергію.

Нова частинка була названа нейтроном (від лат. neutron — ні той ні інший, або нейтральний). Така назва підкреслювала відсутність у нейтрона електричного заряду. Для позначення нейтрона використовують символ п .

Маса нейтрона тп = 1,6749286·10-27 кг = 1,008664902 а. о.м. перевершує масу протона на 2,5 маси електрона, відрізняючись від маси протона лише на 0,14%. Нейтрони у вільному стані в природних умовах практично не зустрічаються через їхню нестійкість. Нейтрон досить швидко спонтанно розпадається: середній час життя нейтрона приблизно 15,3 хв.

Коли α-частинки влучають у ядра Берилію, відбувається така реакція:

Ве + Не → С + .

4. Протонно-нейтронна модель атома. Явище природної β-радіоактивності, здавалося б, свідчило про те, що до складу ядер атомів входять ще й електрони, оскільки вони випускаються під час β -розпаду. Так з'явилася перша протонно-електронна модель ядра.

Кількість електронів у ядрі така, що сумарний заряд позитивно заряджених протонів і негативно заряджених електронів у сумі дає позитивний заряд ядра.

Однак протонно-електронна модель ядра, незважаючи на її простоту, в процесі вивчення атомних ядер була відкинута, оскільки результати багатьох досліджень фізики ядра суперечили цій моделі.

Вихід зі скрутного становища знайшли після того, як було відкрито нейтрон. У 1932 році російський фізик Д. Д. Іваненко та німецький фізик В. Гейзенберг запропонували протонно-нейтронну модель ядра, правильність якої була згодом підтверджена експериментально.

Ядро атома будь-якого хімічного елемента складається з двох видів елементарних частинок: протонів і нейтронів. Кількість протонів у ядрі дорівнює атомному номерові елемента Z у періодичній системі елементів. Сума кількості протонів Z і кількості нейтронів N у ядрі називається ма­совим числом і позначається буквою А:

A=Z+N.

Ізотопи (від грец. isos — однаковий, topos — місце) являють собою ядра з одним і тим самим значенням Z, але різними масовими числами А, тобто з різною кількістю нейтронів N.

Наприклад, Гідроген має три ізотопи: Н — протій (у ядрі тільки один протон), H — дейтерій (у ядрі — протон і нейтрон), H — тритій (у ядрі — протон і два нейтрони).

 

5. Нуклони.У сучасній фізиці приймається, що протон і нейтрон — це два так звані зарядові стани однієї й тієї самої частинки — нуклона (від латин, nucleus — ядро). Протон — це нуклон у зарядженому стані, нейтрон — у нейтральному. Використовуючи цей термін, можна стверджувати, що атомні ядра складаються з нуклонів.

6. Особливості взаємодії частинок усередині ядра.Оскільки ядра досить стійкі, то протони й нейтрони повинні утримуватися всередині ядра якимись силами, причому дуже великими. Що це за сили? Без сумніву можна сказати, що це не гравітаційні сили, які є надто слабкими. Стійкість ядра не може бути пояснена також електромагнітними силами з тієї причини, що між однойменно зарядженими протонами діє електричне відштовхування. А нейтрони позбавлені електричного заряду.

Отже, між нуклонами в ядрі діють особливі сили. Ці сили назвали ядерними.

Ядерні сили приблизно у 100 разів більші за електричні. Це найпотужніші сили з усіх, які є у природі. Тому взаємодії ядерних частинок часто називають сильними взаємодіями.

Стійкість ядер, виділення енергії під час утворення ядра з нуклонів свідчать про те, що ядерні сили до деякої відстані є силами притягання. Однак, починаючи з певної відстані між нуклонами, сили притягання змінюються на сили відштовхування.

Інша важлива особливість ядерних сил — їх короткодіючий характер. Електромагнітні сили порівняно повільно зменшуються з відстанню.

Ядерні сили помітно виявляються линіе на відстанях, що за порядком величини дорівнюють розмірам ядра (10-12—10-13 см). Ядерні сили — це, так би мовити, «богатир з дуже короткими руками».

У ядерній фізиці вводиться особлива одиниця довжини — фермі (фм).

1фм = 10-15 м.

Нейтрон починає притягатися до протона, перебуваючи від нього на відстані, меншій за 2 фм. На відстані, меншій за 0,4 фм, між ними діють потужні сили відштовхування. Якщо відстань між нуклонами лише 4,2 фм, ядерні сили є нехтовно малими.

 

7. Чим характеризувати міцність ядер?Ядерні сили — найпотужніші з усіх, які ми знаємо на сьогоднішній день. Вони не тільки майже повністю гасять взаємне відштовхування протонів, яке на таких малих відстанях є досить великим, але й зв'язують їх у винятково міцну сім'ю.

Чим же характеризувати міцність ядер? Для цього фізики користуються однимуніверсальним поняттям, придатним для будь-яких тіл, молекул, атомів і ядер,— енергією зв'язку. Про міцність того чи іншого утворення роблять висновок на підставі того, наскільки легко чи важко зруйнувати його: чим важче його зруйнувати, тим воно міцніше. Але зруйнувати ядро — це означає розірвати зв'язки між його нуклонами, або, іншими словами, виконати роботу проти сил зв'язку між ними.

Енергія зв'язку визначається величиною тієї роботи, яку потрібно виконати для розщеплення ядра на нуклони, що його складають.

Ніші обчислити енергію зв'язку теоретично, подібно до того, як це можна зробити для електронів в атомі, не вдається. Виконати відповідні розрахунки можна, лише застосовуючи співвідношення Ейнштейна між масою та енергією:

Е = тс2.

 

8.Питома енергія зв'язку.Чим більше протонів у ядрі, тобто чим більший заряд Ze ядра, тим сильніше кулонівське відштовхування між протонами. Тому для того, щоб вони не розліталися під дією кулонівських сил, потрібна більша кількість нейтронів для стабілізації ядра. За малих Z кількість нейтронів N = Z, а за великих Z (у ядрах важких елементів) навіть значна кількість нейтронів у ядрі (N = 1,6Z) вже не може перешкоджати його розпадові. Останнім стійким ядром, яке має максимальну кількість протонів, є Плюмбум (Z = 82).

Для характеристики міцності ядер звичайно беруть енергію зв'язку в розрахунку на один нуклон.

Питома енергія зв'язку — це енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон.

 

9.Дефект мас.Вимірювання мас ядер показують, що маса спокою ядра Мя менша за суму мас спокою нуклонів, що його складають:

Мя < Zmp + Nmn.

Дефектом мас називається різниця між сумарною масою всіх нуклонів ядра у вільному стані та масою ядра.

Δm = Zmр + Nmn – Mя.

Мірою енергії зв'язку атомного ядра є дефект мас. Якщо ΔЕзв — енергія зв'язку ядра, яка виділяється під час його утворення, то відповідна їй маса характеризує зменшення сумарної маси всіх нуклонів під час утворення ядра. Отже:

Про те, наскільки великою є енергія зв'язку, можна робити висновок з такого прикладу: утворення 4 г гелію супроводжується виділенням такої самої енергії, що й при згорянні 1,5—2 вагонів кам'яного вугілля.

 

ІV. Закріплення нового матеріалу:(10хв)

Якісні вправи

V. Домашнє завдання:

Вивчити конспект, задачі.