Урок-введение в тему «Энергия связи. Выделение энергии связи»

Урок-введение в тему «Энергия связи. Выделение энергии связи» (9-11 классы)

Маначинская Людмила Александровна

МБОУ Лицей №3 г. Саров Нижегородской области

Рассуждения, приводимые в ходе данного урока, осознанно воспринимаются не только учащимися 11 класса, но и 9-классниками.

Цель этих рассуждений – внести ясность в понимание самой сути энергии связи и способах ее выделения.

Почему урок называется «введение»? Дело в том, что тема «Энергия связи» очень сложна для понимания. Утверждения, приводимые в учебнике, иногда не воспринимаются как единое целое. Например, «масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов». На следующем уроке следует утверждение, что «при делении тяжелого ядра масса ядра больше суммы масс осколков». При синтезе легких ядер наоборот сумма масс ядер больше массы полученного ядра. В обоих случаях выделяется энергия.

Как это совместить, понять, осознать?

В этом поможет мысленный эксперимент, описанный в книге К.Н Мухина «Занимательная ядерная физика». Есть и другая научно-популярная литература по данной теме. Итак, рассуждаем и записываем тезисы этих рассуждений. На протяжении всего урока на доске – график зависимости удельной энергии связи от массового числа и периодическая система элементов.

1. Почему существует энергия связи? Что это такое?

Вспомним строение атомного ядра: протоны и нейтроны, ядерные силы и свойства этих сил.

Проводим аналогию, например, с гравитационным взаимодействием. И взаимодействием зарядов. Знаем, что гравитационное и электростатическое взаимодействия приводят к существованию энергии взаимодействия (это потенциальная энергия).

Возможно ядерное взаимодействие приводит к существованию энергии взаимодействия (ядерной энергии, или энергии связи).

1. Как выделить энергию связи?

Мысленный эксперимент.

а) Делим ядро на нуклоны, преодолеваем ядерные силы. Потому «затрачиваем» свою энергию. «Наша» энергия при этом поглощается.

б) Но нам наоборот нужно выделить энергию!

Здравый смысл подсказывает, что нужно осуществить обратный процесс – «собрать» ядро из нуклонов. В этом процессе энергия выделится.

В ходе этих рассуждений уместно вспомнить о поглощении и выделении энергии в тепловых процессах (плавлении-отвердевании, нагревании-охлаждении, испарении-конденсации). Аналогия очень наглядна!

Итак, чтобы выделить энергию связи, необходимо синтезировать ядра из нуклонов. Следует обратить внимание на то, что речь идет о любых ядрах, а не только о ядрах урана, как дети иногда думают.

в) Но мы не умеем синтезировать ядра! Они есть готовые, данные нам природой.

Поэтому надо придумать способ выделения энергии связи, имея дело с готовыми ядрами.

Какие ядра выбрать и что с ними нужно сделать?

Для этого необходимо иметь примерный график зависимости удельной энергии связи (т.е. энергии связи, приходящейся на каждый нуклон) от массового числа.

Рассматриваем подробно этот график и пытаемся понять, почему он имеет такой вид.

Начинаем с самых легких изотопов водорода, гелия и т.д. Например, при добавлении 1 нуклона к ядру легкого водорода энергия связи скачком увеличивается от нуля до некоторого значения, т.к. появляется взаимодействие нуклонов. При добавлении еще одного нуклона количество взаимодействий увеличивается в 3 раза, т.е. энергия, приходящаяся на каждый нуклон, резко увеличивается и т.д. Поэтому график идет резко вверх, достигает максимума, но при дальнейшем увеличении массового числа удельная энергия связи немного уменьшается.

Почему? Дело в том, что тяжелые ядра имеют больший объем, поэтому далекие друг от друга нуклоны взаимодействуют слабее (ядерные силы короткодействующие) и энергия, приходящаяся на каждый нуклон, немного уменьшается.

Далее соотнесем рассуждения об удельной энергии связи с выводами из первой части нашего мысленного эксперимента. Знаем, что для выделения энергии связи надо синтезировать ядра из нуклонов. Что при этом происходит с удельной энергией связи? Увеличивается!

Поэтому практический способ выделения энергии связи сводится к увеличению удельной энергии связи!

г) Итак, как это сделать реально?

Глядя на график находим 2 способа:

-деление тяжелых ядер (например, цепная реакция деления ядер урана)

-синтез легких ядер (термоядерные реакции)

Об этих способах подробно – на следующем уроке.

На протяжении многих лет использую эти рассуждения, более понятных и убедительных не знаю.