Энергия связи атомных ядер

Разделы: Физика

Цели урока

  • Образовательные: ознакомление учащихся с понятием “ энергия связи”, формирование представлений о внутриядерных взаимодействиях.
  • Воспитательные: формирование положительных мотивов учения, экологическое воспитание.
  • Развивающие: развитие интереса к науке; развитие у учащихся мыслительных операций: анализ, сравнение, обобщение.

Тип урока – урок усвоения новых знаний.

Оборудование:

  • компьютер с мультимедийным проектором;
  • график зависимости удельной энергии связи от массового числа;
  • рисунки с изображением ядра, фотография взрыва атомной бомбы.

План урока

  1. Вступительное слово учителя.
  2. Мотивация учебной деятельности.
  3. Постановка цели урока.
  4. Актуализация ранее усвоенных знаний.
  5. Работа над изучением нового материала. Введение новых понятий.
  6. Проверка понимания и закрепления знаний.
  7. Подведение итогов урока.
  8. Организация работы дома.

Ход урока

1. Учитель. Атом, такой простой и такой сложный, занимает умы человечества много столетий. В 50г. до н.э. появилась поэма Лукреция Кара “ О природе вещей ”, в которой уделяется большое внимание идее дискретности материи (дискретность (лат.) - разделённый). Послушайте отрывок:

…существуют такие тела, что прочны и вечны.
Это - вещей семена и начала в учении нашем,
То из чего получился весь мир, существующий ныне…
Первоначала вещей, таким образом, просты и плотны.
Иначе ведь не могли бы они, сохраняясь веками,
От бесконечных времён и досель восстанавливать вещи.

2. Учитель. Мысль об атомистическом строении вещества была высказана ещё в v веке до нашей эры. Атомистическая идея в течение двух с лишним десятка веков пробивала себе дорогу и превращалась в строго обоснованную теорию. Чем больше накапливалось знаний, тем больше появлялось вопросов.

Почему ядро устойчиво? Почему ядро гелия во многих ядерных реакциях является одним из продуктов распада атомных ядер? На эти и другие вопросы мы сможем ответить, изучив тему “Энергия связи атомных ядер”.

3. Учитель. Цель нашего урока: получить новые знания об атомном ядре, глубже постичь скрытые тайны микромира.

4. Учитель. Прежде вспомним, что нам уже известно о строении вещества.

Ответьте на вопросы:

а) Что такое атом?
б) Каково строение атома?
в) Из каких частиц состоит ядро?
г) Что вы знаете о зарядовой принадлежности частиц, составляющих ядро?

5. Учитель. Ядро устойчиво. Для его расщепления на нуклоны нужно затратить энергию. При образовании ядра из отдельных нуклонов энергия выделяется.

Почему?

Посмотрим в таблицу, в которой приводятся значения масс некоторых ядер, а также протонов и нейтронов. Сравните сумму масс нуклонов ядра углерода ??С и самого ядра.

Оказывается, Мя < (Z• mр +N•mn)

Разность [(Z•mр + N•m) – Mя] обозначим М; М - дефект массы.

Превышение массы нуклонов над массой ядра, выраженное в энергетических единицах, называется энергией связи атомного ядра.

Энергия, необходимая для полного расщепления ядра на нуклоны без сообщения им кинетической энергии, равна энергии связи.

В связи с соотношением Эйнштейна энергия связи выражается формулой:

Есв = Мс2

Как велика энергия связи атомных ядер? При образовании 4г гелия выделяется столько энергии, сколько выделяется при полном сгорании 2т каменного угля!

Очень важную роль играет не энергия связи атомных ядер, а удельная энергия связи – энергия связи, приходящаяся на один нуклон.

Вспомним, как мы обозначаем число нуклонов ядра. Получим формулу расчёта удельной энергии связи: Еуд. = Е св./А

В среднем, Еуд. = 8МэВ. Это величина энергии отделения нуклона от ядра или величина энергии присоединения нуклона.

А что прочнее: атом или ядро? Энергия связи электрона в атоме водорода всего 13,6 эВ.

Конечно, прочнее ядро. Ядро - неисчерпаемый источник энергии.

А почему ядро не “рассыпается” на нуклоны, ведь протоны отталкиваются друг от друга?

Дело в том, что кроме сил электростатического отталкивания между нуклонами действуют ядерные силы. Происходит противоборство ядерных сил и сил кулоновского отталкивания. Тогда почему одни ядра более устойчивые, чем другие? Исход борьбы определяет, быть ядру более или менее устойчивым. Известный поэт В. Я. Брюсов написал:

Ещё, быть может, каждый атом -
Вселенная, где сто планет;
Там всё, что здесь в объёме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.
Их меры малы, но всё та же
Их бесконечность, как и здесь;
Там скорбь и страсть, как здесь и даже
Там та же мировая спесь.

Как вы думаете, меняется ли характер электростатического взаимодействия внутри ядра при увеличении порядкового номера?

Да, с ростом порядкового номера увеличивается число протонов ядра, значит, увеличивается энергия электростатического отталкивания. Делиться могут только тяжёлые ядра.

Посмотрим на график зависимости удельной энергии ядра от массового числа.

(С помощью мультимедийного проектора демонстрируется график.)

(Рис. 1)

Где расположены самые устойчивые ядра? Назовите некоторые элементы этой области.

Действительно, максимум удельной энергии, приблизительно 8,7Мэв, приходится на “железный пик ”.

А какое лёгкое ядро расположено в области высоких значений энергий удельной энергии?

Конечно, ядро гелия, или, - частица. Академик Ацюковский В.А. предлагает рассматривать более сложные ядра как - частицы плюс те частицы, которые внутри не разместились, но оказались на поверхности.

Как вы считаете, какую форму имеет ядро?

Согласно капельной модели ядро представляет собой каплю заряженной несжимаемой сверхплотной ядерной жидкости. Её плотность приблизительно

10 г/см2. Такая модель позволяет объяснить ряд ядерных явлений. Пусть ядерная “капля”, поглотив нейтрон, вытягивается. При этом поверхностная энергия увеличивается, энергия связи уменьшается. Вместе с тем увеличивается расстояние между нуклонами, энергия электростатического отталкивания уменьшается, энергия связи должна увеличиться. Если больше энергия электростатического отталкивания, ядро разорвётся, если же поверхностная – вернётся в исходное состояние. Есть и другая модель – модель ядерных оболочек. Согласно этой модели наиболее устойчивые ядра с магическим числом Z или N (2,8,20,50,82,126).

(Демонстрируется рисунок с изображением ядра.)

(Рис. 2)

На какие две группы условно можно разделить нуклоны по их месторасположению в ядре?

Нуклоны могут быть внутренними и поверхностными. Чем тяжелее ядро, тем больше в нём внутренних нуклонов.

Обратимся ещё раз к графику зависимости удельной энергии от массового числа. Почему у тяжёлых ядер удельная энергия связи меньше, чем у средних?

Конечно, при большом числе протонов велико кулоновское отталкивание. При большом числе Z всегда Z<N; большое число N необходимо для стабильности ядра.

Различие в энергии связи может быть использовано для освобождения внутриядерной энергии. Существует только два принципиально различных метода освобождение ядерной энергии: деление тяжелых ядер, слияние очень легких ядер.

Выясним с помощью того же графика, почему энергия освобождается только при этих реакциях?

(Если учащиеся затрудняются ответить, то задаю вопрос- подсказку: сравните Есв. исходных ядер и продуктов реакции)

С помощью ядерной энергии можно решить энергетические проблемы: заменить обычное топливо новым - компактным, неисчерпаемым. Но человек пока не готов к этому. Поэт- символист Андрей Белый еще в 1921г. в поэме “Первое свидание” пишет:

Мир – рвался в опытах Кюри
Атомной, лопнувшею бомбой
На электронные струи
Невоплощенной гекатомбой…

(Демонстрируется фотография взрыва атомной бомбы.)

(Рис. 3)

Поэт понимал, что последствия освобождения энергии атома могут быть ужасны: гекатомба – массовая гибель людей.

6. Ответьте на вопросы:

  1. Какую энергию называют энергией связи ядра?
  2. Энергия связи ядра гелия 27МэВ. Какая энергия необходима для его расщепления на нуклоны?
  3. Какая величина характеризует устойчивостью ядра?
  4. Почему очень легкие и тяжелые ядра менее устойчивые?
  5. Если нуклоны способны притягиваться друг к другу, то почему же все ядра до сих пор не слиплись в одно гигантское ядро?
  6. Нарушается ли при образовании ядра закон сохранения массы?

Задачи для самостоятельной работы:

1) Если 1 а.е.м. соответствует 931 МэВ, сколько МэВ соответствует 2 а.е.м?

2) Какова Есв. и Еуд. ядра 12С? Ответ получите в МэВ.

7. Есть притча о старике и юноше. Сидели они на песке и смотрели вдаль. Вдруг юноша спросил: “Вот ты знаешь намного больше меня, но почему, тогда ты чаще сомневаешься? В ответ старик начертил палкой на песке два круга – малый в большом и сказал: “ То, что в малом круге – это твои знания, а то, что в большом – то мои знания. Разве не очевидно, что чем больше круг, тем больше граница, разделяющая известное и неведомое?”

Мы знаем, почему устойчивость ядер различной массы неодинакова; как велика энергия, “запасенная” внутри ядер, можем сделать выводы о том, каковы перспективы использования такой энергии

Сегодня мы узнали многое, но еще больше нам предстоит узнавать в будущем, ведь сказал, же Бернард Шоу, что наука никогда не решит вопроса, не поставив при этом десятка новых.

8. Дома: §82 упр. № 2,4,5.

Литература:

  1. Галин Г.М., Филонович С.Р. классики физической науки: справочное пособие – М.: Высшая школа. 1989 г. с 17.
  2. Тарасов Л.В. Современная физика в средней школе. М.: Просвещение,1990 г.
  3. Мухин К.Н. Занимательная ядерная физика. М.: Энергоатомиздат,1985 г.
  4. Эрик Роджерс. Физика для любознательных. Т.З. М.: Мир, 1971 г.
  5. Мощанский В.Н. Савелова Е.В. История физики в средней школе. М.: Просвещение, 1981 г.
  6. Касьянов В. А. Физика. 11 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2004 г.