Урок физики в 11-м 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 силами- ядерными, 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.

Ход урока.

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).

Рис.1

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

Рис.2

Рис.3

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 20⁰, но появлялись частицы, угол отклонения которых был больше 90⁰ (рис. 3).

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

Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель строения атома:

1. Атом имеет ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома.
2. В ядре сконцентрирована почти вся масса атома.
3. Отрицательный заряд всех электронов распределен по всему объему (рис. 3, 4)

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.5 приведена упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.   

Рис. 6

Рис.2 – это элементарная частица.

Это не протон-электронная пара, как первоначально предполагал Резерфорд. По современным измерениям масса нейтрона m_n = 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.

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

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

Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы нуклоновского отталкивания протонов.

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными.

Особенности ядерных сил:

1. 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 действия ядерных сил равен размеру нуклона, поэтому ядра - концентрация 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 притягиваются не зависимо от наличия заряда т. е. ядерные силы не зависят электрического заряда.

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ

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

Рис. 8

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).

Химические свойства изотопов почти одинаковы. 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.7).

Рис. 9

Решение задач:

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

₁₁ Na²³ A = 23 N = 23 – 11 = 12 Z = 11

₁₁Na²¹ A = 21 N = 21 – 11 = 9 Z = 11

4B⁹ A = 9 N = 9 – 4 = 5 Z = 4

Самостоятельно: ₈O¹⁶ ₃Li⁷ ₆C¹² ₇N¹⁴ ₉F¹⁹ ₁₃Al²⁷ ₉₂U²³⁵ ₈₂Pb²⁰⁷

2. Чем отличаются следующие элементы:

8О¹⁷ и ₈О¹⁶ ₉₂U²³⁵ и ₉₂U²³⁹

Домашнее задание: п. 105 упр. 14 (4).

Приложение