«Состав ядра. Ядерные силы»

Урок по физике в 11 классе «Состав ядра. Ядерные силы»

Цели урока :

1) Изучить протонно–нейтронную модель ядра – основу всех выводов в школьном курсе о строении и свойствах ядра;

2) Познакомить учащихся с ядерными силами, существенно отличающиеся от ранее известных.

План урока:

1. Введение (1 - 2 мин.) - сообщение учителя.

2. Изучение нового материала (20 - 25 мин.) -

рассказ учителя, беседа с учениками.

3. Закрепления нового материала (15 мин.) -

выполнение упражнений.

4. Домашнее задание (1 - 2 мин.) - запись на доске.

Строение атома

Конкретные представления о строении атома развивались по мере накопления физикой фактов о свойствах вещества. Открыли электрон, измерили его массу. Мысль об электронном строении атома, впервые высказанную В. Вебером в 1896 г., развил Х. Лоренц. Именно он создал электронную теорию:

электроны входят в состав атома.

Опираясь на эти открытия, Дж. Томсон в 1898 г. Предложил модель атома в виде положительно заряженного шара радиусом 10 (-10) м, в котором плавают электроны, нейтрализующие положительный заряд (рис. 1)

положительно заряженный атом

электроны

Рис. 1

Экспериментальная проверка модели атома Томсона была осуществлена в 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом (рис. 2)

Рис.2

Пропуская пучок Альфа- частиц через тонкую золотую фольгу, Э. Резерфорд обнаружил, что какая-то часть частиц отклоняется на довольно значительный угол от своего первоначального направления, а небольшая часть – отражается от фольги. Но согласно модели атома Томсона, частицы могли отклоняться только на углы около 2 0 (рис.3)

Резерфорд показал, что модель Томсона находится в противоречии с его опытами. Обобщая результаты своих опытов.

Резерфорд предложил ядерную ( планетарную) модель строения атома (рис.4)

• Атом имеет ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома (рис. 5)

• В ядре сконцентрирована почти вся масса атома.
• Отрицательный заряд всех электронов распределен по всему объему атома.

Рис.3

Рис.4

Рис. 5

Открытие нейтрона

Идея о существовании тяжелой нейтральной частицы казалась Резерфорду настолько привлекательной, что он незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком заняться поиском такой частицы.

Через 12 лет в 1932 г. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия? -частицами, и обнаружил, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Так был открыт нейтрон. На рис.6 приведена упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.    

Рис.6

Нейтрон – это элементарная частица .

Это не протон -электронная пара, как первоначально предполагал Резерфорд.

По современным измерениям, масса нейтрона mn = 1,67493·10 –27 кг = 1,008665 а.е.м.

В энергетических единицах масса нейтрона равна 939,56563 МэВ .

Масса нейтрона приблизительно на две электронные массы превосходит массу протона.

Протон-нейтронная модель ядра

Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер , которая полностью подтвердилась последующими исследованиями (рис. 7)

По современным измерениям, положительный заряд протона в точности равен элементарному заряду e = 1,60217733·10–19 Кл,

то есть равен по модулю отрицательному заряду электрона. В настоящее время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10 –22 . Такое совпадение зарядов двух непохожих друг на друга частиц вызывает удивление и остается одной из фундаментальных загадок современной физики.

Масса протона, по современным измерениям, равна mp = 1,67262·10-27 кг .

Протоны и нейтроны в ядре

принято называть нуклонами.

Рис. 7

Ядро атома состоит из нуклонов ,

которые подразделяются на протоны и нейтроны .

Символическое обозначение ядра атома

А - число нуклонов, т.е. протонов + нейтронов (или атомная масса) Z - число протонов (равно числу электронов) N - число нейтронов (или атомный номер)

N = A - Z

Рис.8

Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы кулоновского отталкивания протонов. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными ( рис.8)

Особенности ядерных сил:

• Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов.

2. Важной особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер. Ядерные силы заметно проявляются, как показали опыты Резерфорда по рассеянию

a-частиц, лишь на расстояниях порядка размеров ядра (10 –14 –10 –15 м). Ядерные силы очень быстро спадают с расстоянием. Радиус их действия порядка 0,000 000 000 000 001 метра .

Для этой сверхмалой длины, характеризующей размеры атомных ядер, ввели специальное обозначение Фм (в честь итальянского физика Э. Ферми, 1901-1954)

Все ядра имеют размеры нескольких Ферми.

Радиус ядерных сил равен размеру нуклона, поэтому ядра – концентрация и очень плотной материи. Возможно, самой плотной в земных условиях.

Ядерные силы - сильные взаимодействия .

На больших расстояниях проявляется действие сравнительно медленно убывающих кулоновских сил.

На основании опытных данных можно заключить, что протоны и нейтроны в ядре ведут себя одинаково в отношении сильного взаимодействия, т. е. ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия у частиц электрического заряда.

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ

• силы притяжения;
• действуют между всеми нуклонами в ядре;
• короткодействующие.

.

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ? В середине XX века теория ядра предсказала существование стабильных элементов с порядковыми номерами Z = 110 -114 В Дубне был получен 114-й элемент с атомной массой А = 289, который "жил" всего 30 секунд, что невероятно долго для атома с ядром такого размера. Сегодня теоретики уже обсуждают свойства сверхтяжелых ядер массой 300 и даже 500.

Атомы с одинаковыми атомными номерами называют изотопами : в таблице Менделеева они расположены в одной клеточке (по-гречески «изос» - равный, «топос» – место (рис. 9). Химические свойства изотопов почти тождественны. Если элементов всего в природе - около 100, то изотопов - более 2000. Многие из них неустойчивы, то есть радиоактивны, и распадаются, испуская различные виды излучений. Изотопы одного и того же элемента по составу отличаются лишь количеством нейтронов в ядре.

Рис. 9

Решение задач:

• Сколько нуклонов, протонов и нейтронов содержится в ядрах следующих элементов:

11 Na 23

A = 23 N = 23 – 11 = 12 Z = 11

11 Na 21

A = 21 N = 21 – 11 = 9 Z = 11

4 B 9

A = 9 N = 9 – 4 = 5 Z = 4

Самостоятельно: 8 O 16 3 Li 7 6 C 12 7 N 14 9 F 19 13 Al 27 92 U 235 82 Pb 207

2. Чем отличаются следующие элементы:

8 О 17 и 8 О 16 92 U 235 и 92 U 23 9

Домашнее задание:

п. 105 упр. 14 (4)