Презентация "Строение атомного ядра. Энергия связи атомного ядра"

Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи атомного ядра

11 класс

Гориславская Н.П.

СТРОЕНИЕ ЯДРА АТОМА

• В 1932г. после открытия  протона и нейтрона учеными Д.Д. Иваненко (СССР) и В. Гейзенберг (Германия) была выдвинута протонно-нейтронная модель ядра атома.
• Ядро – положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточено 99, 96 % его массы.
• R ядра ~ 10 – 15 м, что примерно в 100000 раз меньше радиуса всего атома, определяемого размерами его электронной оболочки

Согласно этой модели: - ядра всех химических элементов состоят из нуклонов: протонов и нейтронов; - заряд ядра обусловлен только протонами; - число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента; - число нейтронов (N) равно разности между массовым числом (А) и числом протонов ( Z) N=A-Z Атомное число А численно равно массе ядра, выраженной в атомных единицах массы и округленной до целых чисел. Атомная единица массы ( 1 а.е.м.) равна 1\12 части атома углерода.

Масса и атомный вес некоторых частиц

Характеристики частиц

Протон

Символ

Электрический заряд, Кл

Нейтрон

Масса, кг

1 , 6 ∙ 10 -19

Электрон

≈ 1,6724 ∙ 10 -27

0

Масса в физической шкале, а.е.м

1 , 6 ∙ 10 -19

≈ 1,6748 ∙ 10 -27

≈ 1,0073

≈ 9,1 ∙ 10 -31

≈ 1,0087

≈ 5,486 ∙ 10 –4

ИЗОТОПЫ

• В ядрах одного и того же химического элемента число нейтронов различно, а число протонов одно и тоже, называют изотопами.
• Например, в ядрах ворода 1 протон, а число нейтронов может быть 0, 1, 2.

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ

• В состав ядра входят протоны и нейтроны. Между одинаково заряженные протонами действуют электростатические силы отталкивания, однако ядро не "разлетается" на отдельные частицы. Между протонами и нейтронами внутри ядра действуют ядерные силы - силы притяжения, намного превосходящие электростатические.
• Ядерные силы по величине в 100 раз превосходят электростатические и называются сильным взаимодействием.
• Ядерные силы проявляются лишь на расстояниях внутри ядра, поэтому считаются короткодействующими, в то время как электростатические силы - дальнодействующими.

ДЕФЕКТ МАССЫ - недостаток массы ядра по сравнению с суммой масс свободных нуклонов

• Измерения масс ядер показывают, что масса ядра (Мя) всегда меньше суммы масс покоя слагающих его свободных нейтронов и протонов. При делении ядра: масса ядра всегда меньше  суммы масс  покоя образовавшихся  свободных  частиц . При синтезе ядра: масса образовавшегося ядра всегда меньше  суммы масс  покоя свободных частиц, его образовавших.

ДЕФЕКТ МАСС

• Дефект масс является мерой энергии связи атомного ядра. Дефект масс равен разности между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра:
• где Мя – масса ядра ( из справочника) Z – число  протонов в ядре mp – масса  покоя свободного протона (из справочника) N – число нейтронов в ядре mn – масса покоя свободного нейтрона (из справочника) Уменьшение массы при образовании ядра означает, что при этом уменьшается энергия системы нуклонов.

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ

• Ядра атомов представляют собой сильно связанные системы из большого числа нуклонов. Для полного расщепления ядра на составные части и удаление их на большие расстояния друг от друга необходимо затратить определенную работу А. Энергия связи - это минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны По закону сохранения энергия связи одновременно равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных свободных нуклоно в.

• Формула для расчета энергии связи ядра - это формула Эйнштейна: если есть какая-то система частиц, обладающая массой, то изменение энергии этой системы приводит к изменению  ее массы.
• Здесь энергия связи ядра выражена произведением дефекта масс на квадрат скорости света.

В ядерной физике массу частиц выражают в атомных единицах массы (а.е.м.)

1 а.е.м. ≈ 1,66 * 10 – 27 кг

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ

• Энергию связи можно рассчитать в Джоулях , подставляя в расчетную формулу массу в килограммах.
• Однако, в ядерной физике принято выражать энергию в электронвольтах (эВ):
• 1 эВ ≈ 1,6 * 10 -19 Дж
• Просчитаем соответствие 1 а.е.м. электронвольтам:
• 931,5 МэВ 1 МэВ ≈ 1,6 * 10 -13 Дж
• Теперь расчетная формула энергии связи (в электронвольтах ) будет выглядеть так:

• Е св. = ∆ m * 931 ,5 (МэВ)

УДЕЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ

• Устойчивость ядер характеризует физическая величина, называемая удельной энергией связи. Она равна энергии связи, которая приходится только на одну ядерную частицу( протон или нейтрон):
• По графику зависимости удельной энергии связи от массового числа элементов можно заметить, что для легких ядер энергия связи мала. Удельная энергия связи имеет наибольшее значение для ядер атомов, расположенных в средней части периодической таблицы элементов с массовыми числами от 28 до 138. С дальнейшим ростом массового числа удельная энергия связи убывает.

Рис 1. Зависимость удельной энергии связи от массового числа

Пример решения задачи Определите энергию связи ядра гелия

• Решение:
• Энергию связи определим по формуле: ∆E =  mc 2 , где ∆ m = (Zm p + Nm n ) – M я
• Z = 2 , N = 4 – 2 = 2
• Проведем расчеты:
• ∆ m = (2 * 1,0073 + 2 * 1,0087) - 4,0026 = 0,0294 а.е.м.
• Вычислим энергию связи:
• ∆ E = 0,0294 * 931,5 ≈ 27,4 МэВ
• Ответ: ∆E ≈ 27,4 МэВ ≈ 43,84 * 10 –13 Дж

Д ано:

M я = 4,0026 а.е.м.

m n = 1,0087 а.е.м.

m p = 1,0073 а.е.м.

с = 3 * 10 8 м/с

∆ E - ?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ:

• Прочитать п. 104, 105
• Выполнить упр. 14 (4. 5, 6)