Тема урока: Энергия связи атомных ядер. 11 класс

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.

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

4.  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.  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, М_я 

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

Минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией 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: Е_уд. = Е _св./А

В среднем, Е_уд. = 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.

(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.

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.

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

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 Е_св. 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 Е_св. и Е_уд. 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.

Домашнее задание: п. 80, з-чи с. 309

Итог урока

Сумма масс невзаимодействующих нуклонов больше массы ядра. Уменьшение энергии ядра атома в сравнении с суммой энергий составляющих его частиц можно объяснить так. Чтобы из отдельных нуклонов получить ядро атома, их необходимо сблизить до расстояния, на котором проявят себя ядерные силы. Под действием этих сил протоны и нейтроны устремятся друг к другу с ускорением. При этом ускоренное движение заряженных частиц (протонов) будет сопровождаться излучением электромагнитных воли. В результате имеет место уменьшение энергии ядра атома. Из закона сохранения энергии следует, что для разделения ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии, которое выделяется при его образовании.