Ядро атома. Ядерные реакции

11-А класс Урок № 62 Дата:

Цели урока: Познакомиться с историей развития представлений о строении атома, моделями атома, доказательствами сложности строения атома. Рассмотреть строение ядра и электронные конфигурации атома.

Задачи:

образовательные: знакомство с историей развития представлений о строении атомов, открытия и доказательства сложности строения атома на основе межпредметных связей с физикой; повторение умения составлять электронные и электронно-графические формулы атомов.

развивающие: совершенствование умения краткого изложения полученной информации, выбора из сказанного главного; формирование умения анализировать, выявлять причинно-следственные связи, оценивать свои знания.

воспитательные: развитие умения работать в коллективе.

Ход урока:

1. Организационный момент. Инструктаж по технике безопасности в кабинете химии ( повторный вводный).

2. Введение в тему урока:

1)Развитие представлений о строении атома.

Понятие атом (греч. «atomos» – неделимый) ввел Демокрит. У Демокрита атомы выступают в роли первоначала. Они неделимы, различаются по величине, весу, форме и находятся в вечном движении. После Демокрита учение об атомах было на много веков забыто. Возродил атомистическую теорию английский физик и химик Джон Дальтон. Он основывался на открытых в то время законах химии и экспериментальных данных о строении вещества. Таким образом, установил, что атомы одного элемента имеют одинаковые свойства, а разных элементов – различаются по свойствам. Дальтон ввел важную характеристику атома – атомную массу и для очень многих элементов были установлены ее относительные значения. В своем атомно-молекулярном учении Дальтон дает характеристику атому: «Атом неделим, вечен и неразрушим».

2) Атом делим, как доказали следующие экспериментальные открытия, сделанные в науке на рубеже конца 19-начала 20 века.

1. В 1897 году Крукс открыл катодные лучи, представляющие собой поток электронов в вакуумной трубке, содержащей катод и анод. Английский физик Джозеф Томпсон назвал частицы катодных лучей электронами.

2. Русский ученый Столетов открыл явление фотоэффекта – испускания металлом электронов под действием падающего на него света.

3. Значимым стало открытие Рентгеном «Х»-лучей, позже названных рентгеновскими в честь ученого. Эти лучи представляют собой электромагнитное излучение подобное свету с гораздо более высокой частотой, испускаемой при действии на них катодных лучей.

4. Большой вклад в развитие представлений об элементарных частицах внесли французский физик Антуан Анри Беккерель и супруги Кюри, открыв явление радиоактивности. Радиоактивность – это явление самопроизвольного превращения одного химического элемента в другой, сопровождаемое испусканием электронов или других частиц и рентгеновского излучения.

Эти экспериментальные данные свидетельствуют о том, что атом – сложноустроенная система.

3)Модели атома.

Одной из первых моделей строения атома явилась модель английского физика Джозефа Томсона, предложенная им в в1904 г. – так называемый «пудинг с изюмом»: атом представляет собой сферу положительного электричества с вкрапленными электронами.

Для проверки этой модели в 1899-1911 гг. английский физик Эрнест Резерфорд провел опытные исследования и сформулировал планетарную (ядерную) теорию строения атома. Согласно этой модели, в центре атома находится очень маленькое ядро, размеры которого приблизительно в 100’000 раз меньше размеров самого атома. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. Оно имеет положительный заряд. Вокруг ядра движутся электроны, заряженные отрицательно. Их число определяется зарядом ядра.

Однако такая модель имела свои недостатки:

1. Резерфорд не смог объяснить устойчивости атома. Двигаясь вокруг ядра, электрон расходует энергию и в какой-то момент, израсходовав ее всю, он должен остановиться – упасть на ядро, что равносильно гибели атома. Но на самом деле атомы – структуры довольно стабильные.

2. Резерфорд не смог объяснить линейный характер атомных спектров. Согласно его модели, электрон должен излучать энергию постоянно и поэтому атомный спектр должен быть сплошным, но экспериментальные данные доказывали обратное: спектр не сплошной, а прерывистый. Это означает, что электрон излучает энергию порциями.

Свою теорию строения атома, основанную на планетарной модели и квантовой теории, в 1913 году предложил датский физик Нильс Бор. Основные положения он сформулировал в виде постулатов:

I. Электрон может вращаться вокруг ядра по определенным, стационарным круговым орбиталям.

II. Двигаясь по стационарной орбите, электрон не излучает энергию.

III. Излучение электромагнитной энергии (либо ее поглощение) происходит при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую.

Но и эта модель не явилась совершенством, в ней также присутствовали противоречия. «Спасти» теорию Бора пытались многие ученые.

В 1932 году Иваненко предложил протонно-нейтронную модель ядра. Эту теорию развил Гейзенберг. Эта модель строения атома существует до сих пор, сочетает в себе все предыдущие модели и «исправляет» их недостатки. Суть теории в том, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. В совокупности они называются нуклоны. Число протонов в ядре («+» заряд) характеризует его заряд. Количество электронов («-» заряд), движущихся вокруг ядра, соответствует количеству протонов в нем. Электроны движутся по определенным атомным орбиталям, которые могут существовать в различных формах. При переходе с орбитали на орбиталь испускается или поглощается электромагнитная энергия.

4)Основные характеристики нуклонов и электрона. Массовое число. Изотопы.

5) Электронное облако.

Гипотеза о том, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, подтверждалась многими экспериментами. Это свидетельствует о справедливости протонно-нейтронной модели строения ядра.

Важную роль во всей ядерной физике играет понятие энергии связи ядра. Энергия связи позволяет объяснить устойчивость ядер, выяснить, какие процессы ведут к выделению ядерной энергии.

Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные частицы.

На основании закона сохранения энергии можно также утверждать, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер при их взаимодействии друг с другом или другими частицами. Мы рассмотрим выделение и поглощение энергии в ядерных реакциях.

1. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Как вы уже знаете, в конце 19-го века была открыта радиоактивность — явление самопроизвольного распада атомных ядер. А в 1919 году Резерфорд впервые осуществил искусственное превращение атомных ядер: при бомбардировке азота а-частицами ядро азота превращалось в ядро изотопа кислорода с испускани-

Изменения атомных ядер при взаимодействии их друг с другом или с другими частицами называют ядерными реакциями.

Приведем еще пример: при бомбардировке ядер лития быстрыми протонами эти ядра расщепляются на а-частицы:

УСЛОВИЯ ПРОТЕКАНИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ

Ядерные реакции при столкновениях ядер

Напомним, что ядерные силы характеризуются очень малым радиусом действия. Поэтому для того, чтобы в результате столкновения двух ядер могла произойти ядерная реакция, необходимо сблизить ядра на очень малое расстояние — только тогда между ними начнут действовать ядерные силы.

Однако между положительно заряженными ядрами существуют большие электростатические силы отталкивания. Поэтому сблизиться на достаточно малое расстояние могут только ядра, летящие с большой скоростью. Это весьма существенное обстоятельство не позволяет пока человечеству в полной мере использовать ядерную энергию

Из-за электростатического отталкивания ядер первые ядерные реакции удалось осуществить только тогда, когда в распоряженииученых оказались образующиеся при радиоактивных распадах а-частицы с большой кинетической энергией.

Ядерные реакции на нейтронах

Вскоре после открытия нейтрона итальянский физик Энрико Ферми догадался, что именно нейтрон может оказаться наиболее подходящим «инструментом» для осуществления ядерных реакций — и как раз благодаря своей высокой проникающей способности, обусловленной его нейтральностью.

Так как нейтрон не имеет электрического заряда, даже медленный нейтрон может проникнуть в ядро и вызвать ядерную реакцию. Более того, как было установлено впоследствии (в том числе самим Ферми), именно медленные нейтроны и являются наиболее эффективными для осуществления ядерных реакций.

ВЫДЕЛЕНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПРИ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЯХ

При ядерных реакциях происходит выделение или поглощение энергии — суммарная кинетическая энергия ядер и частиц после реакции отличается от их кинетической энергии до реакции.

Так, в первом из приведенных выше примеров (бомбардировка азота α-частицами) суммарная кинетическая энергия протона и ядра кислорода меньше кинетической энергии а-частицы, налетающей на покоящийся атом азота, то есть происходит поглощение энергии. Во втором же примере (бомбардировка лития протонами) суммарная кинетическая энергия образовавшихся ядер гелия (α-частиц) больше кинетической энергии налетающего протона, то есть происходит выделение энергии.

Из закона сохранения энергии следует, что при ядерных реакциях энергия превращается из одного вида в другой: при поглощении энергии кинетическая энергия начальных частиц частично превращается во внутреннюю энергию ядра, а при выделении энергии — начальная внутренняя энергия ядра частично превращается в кинетическую энергию образующихся частиц.

Из курса химии вы уже знаете, что химические реакции также могут идти с поглощением и выделением энергии. Однако выделение энергии при ядерных реакциях в миллионы раз больше: так, при делении ядер одного грамма урана выделяется столько же энергии, сколько при сгорании трех тонн угля.

3. РЕАКЦИИ СИНТЕЗА И ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР

УДЕЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ

Для расчета энергетики ядерных реакций необходимо знать энергию связи, приходящуюся на один нуклон. Ее называют удельной энергией связи.

Из закона сохранения энергии следует, что энергия выделяется в ядерных реакциях тогда, когда внутренняя энергия ядра уменьшается.

Это значит, что при таких реакциях удельная энергия связи в ядрах — продуктах реакции — должна быть больше, чем в исходных ядрах (при этом в ядрах — продуктах реакции — нуклоны как бы сближаются по сравнению с исходными ядрами и начинают сильнее взаимодействовать между собой).

Рассмотрим теперь полученный из многочисленных опытов график зависимости удельной энергии связи от массового числа ядра

РЕАКЦИИ СИНТЕЗА

Прежде всего обратим внимание на острый пик, соответствующий ядру гелия Не. Он означает, что это ядро (а-частица) характеризуется намного большей удельной энергией связи, чем ядра дейтерия и трития

И действительно, в реакции выделяется очень большая энергия (в расчете на один нуклон). Именно с этой реакцией, как мы увидим далее, и связывают ученые главные надежды на преодоление человечеством энергетического кризиса в будущем.

Образование ядра из менее массивных ядер называют реакцией синтеза.

Для осуществления реакции синтеза необходимо сблизить ядра на очень малое расстояние, чтобы между ними начали действовать ядерные силы. Чтобы преодолеть электрическое отталкивание, эти ядра должны двигаться с большой скоростью друг относительно друга, то есть обладать большой кинетической энергией. Значит, чтобы такая реакция осуществлялась в некоторой среде, температура этой среды должна быть очень высокой: расчеты показывают, что реакция синтеза может идти только при температурах в десятки миллионов градусов.

По этой причине реакции синтеза называют часто термоядерными реакциями.

Именно такие реакции и происходят при указанных температурах в недрах звезд (в том числе и нашего Солнца), являясь основным источником их энергии.

На Земле термоядерную реакцию впервые удалось осуществить в водородной бомбе, которая была испытана в 1953 году в СССР. К счастью, водородную бомбу никогда не применяли в военных действиях. Сегодня ученые многих стран, в том числе и России, активно занимаются «приручением» термоядерной реакции: она была бы практически неисчерпаемым источником энергии (см. §27. Ядерная энергетика).

РЕАКЦИИ ДЕЛЕНИЯ

Из графика зависимости удельной энергии связи от массового числа ядра видно, что наибольшей энергией связи характеризуются ядра с массовыми числами от 50 до 60, то есть ядро железа и близких к нему по массовому числу ядер.

Отсюда следует, что при расщеплении тяжелых ядер с большим массовым числом (соответствующих элементам, находящимся ближе к концу таблицы Менделеева) на средние по массовому числу ядра удельная энергия связи увеличивается, то есть происходит выделение энергии.

Расщепление ядра на менее массивные ядра называют реакцией деления.

Как были открыты реакции деления?

В 1938 году немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман установили, что среди элементов, возникающих при облучении урана нейтронами, присутствует радиоактивный барий. А в следующем году английский физик Отто Фриш и австрийский физик Лизе Мейтнер¹ теоретически доказали, что при этом происходит реакция деления ядер урана.

Дальнейшие исследования подтвердили эти выводы. Одна из реакций деления ядер такова:

Энерговыделение этой реакции около 200 МэВ. Это значит, что при делении ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как при сгорании нескольких тонн угля.

В 1940 году советские физики Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили, что ядра урана делятся не только при их облучении нейтронами, но и самопроизвольно. Однако период полураспада для спонтанного деления ядер урана огромен даже по геологическим меркам: он в миллионы раз больше времени существования Земли

Энергия связи атомных ядер очень велика. Например, образование 4 г гелия сопровождается выделением такой же энергии, что и сгорания 1,5-2 вагонов каменного угля.

Наиболее простой путь нахождения этой энергии основан на применении закона о взаимосвязи массы и энергии:

Е = тс².

Масса покоя ядра М_я всегда меньше суммы масс покоя слагающих его протонов и нейтронов:

М_я Zm_p +N m_n ,