Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер.

Урок 62. Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер.

Цели урока: 

1. В процессе выполнения модульной программы учащиеся должны запомнить определения понятий «нейтрон», «нуклон», «массовое число», «энергия связи», «дефект масс», «удельная энергия связи», формулы для определения массового числа, энергии связи, дефекта масс, удельной энергии связи.

2. Развивать у учащихся умение пересказывать и анализировать учебный материал, выделять главное, основное; сравнивать, отвечать на вопросы, решать задачи.

3. Воспитывать коммуникативные умения: умение работать в коллективе и самостоятельно, умение говорить самому и слушать других.

Планируемые результаты:

-предметные: ученик узнает о строении атомного ядра, о ядерных силах, удерживающих частицы внутри ядра, а также об энергии связи атомного ядра;

ученик научится находить дефект масс, энергию связи по формулам.

- метапредметные:

регулятивные: ученик самостоятельно научится ставить цели и планировать пути достижения; контролировать своё время;

ученик будет иметь возможность научиться оценивать свои возможности достижения цели;

коммуникативные: ученик научится полно и точно выражать свои мысли; организовывать и планировать учебное взаимопонимание с учителем и сверстниками;

познавательные: ученик научится давать определения понятиям, находить число протонов и нейтронов в ядре;

ученик получит возможность научиться решать задачи на нахождение дефекта масс и энергии связи;

-личностные: ученик получит возможность для формирования устойчивой учебно – познавательной мотивации, готовности к самообразованию и самовоспитанию.

Тип урока: урок получения нового знания.

Формы работы учащихся: индивидуальная, фронтальная.

Необходимое техническое оборудование: компьютер, проектор, учебник, экран, Электронные образовательные ресурсы: информационный, (http://eor.edu.ru), установленный ОМС-плеер.

План:

1) Организационный момент. Проверка домашнего задания, знаний и умений

2) Изучение нового материала.

3) Закрепление изученного. Итог урока.

Ход урока:

1)Организационный момент. Проверка домашнего задания, знаний и умений

Вопрос к параграфу

1. Счетчик регистрирует β-частицы радиоактивного препарата очень малой интенсивности. Происходят ли срабатывания счетчика через одинаковые интервалы времени?

2. Существуют ли изотопы у бария, относительная атомная масса которого 137,34?

3. Объясните, почему при центральном столкновении с протоном нейтрон передает ему всю энергию, а при столкновении с ядром азота — только ее часть.

2) Изучение нового материала.

Строение атомного ядра. Ядерные силы

Сразу же после того, как в опытах Чедвика был открыт нейтрон, советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий ученый В. Гейзенберг в 1932 г. предложили протонно-нейтронную модель ядра. Она была подтверждена последующими исследованиями ядерных превращений и в настоящее время является общепризнанной.

Протонно-нейтронная модель ядра

Согласно протоннонейтронной модели ядра состоят из элементарных частиц двух видов — протонов и нейтронов.

Так как в целом атом электрически нейтрален, а заряд протона равен модулю заряда электрона, то число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке. Следовательно, число протонов в ядре равно атомному номеру элемента Z в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А:

A = Z + N.                         (13.2)

Изотопы представляют собой ядра с одним и тем же значением Z, но с различными массовыми числами А, т. е. с различными числами нейтронов N.

Ядерные силы

Так как ядра весьма устойчивы, то протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра какими-то силами, причем очень большими. Что это за силы? Сразу можно сказать, что это не гравитационные силы, которые слишком слабые. Устойчивость ядра не может быть объяснена также электромагнитными силами, так как между одноименно заряженными протонами действует электрическое отталкивание. А нейтроны не имеют электрического заряда.

Значит, между ядерными частицами — протонами и нейтронами (их называют нуклонами) — действуют особые силы, называемые ядерными силами.

Каковы основные свойства ядерных сил? Ядерные силы примерно в 100 раз превышают электрические (кулоновские) силы. Это самые мощные силы из всех существующих в природе. Поэтому взаимодействия ядерных частиц часто называют сильными взаимодействиями.

Сильные взаимодействия проявляются не только во взаимодействиях нуклонов в ядре. Это особый тип взаимодействий, присущий большинству элементарных частиц наряду с электромагнитными взаимодействиями.

Другая важная особенность ядерных сил — их коротко- действие. Электромагнитные силы сравнительно медленно ослабевают с увеличением расстояния. Ядерные силы заметно проявляются лишь на расстояниях, равных размерам ядра (10^-12—10^-13 см), что показали уже опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц атомными ядрами. Ядерные силы — это, так сказать, «богатырь с очень короткими руками». Законченная количественная теория ядерных сил пока еще не разработана. Значительные успехи в ее разработке были достигнуты совсем недавно — в последние 10—15 лет.

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Эти частицы удерживаются в ядре ядерными силами.

Важнейшую роль во всей ядерной физике играет понятие энергии связи ядра. Энергия связи позволяет объяснить устойчивость ядер, выяснить, какие процессы ведут к выделению ядерной энергии. Нуклоны в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Для того чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить довольно большую работу, т. е. сообщить ядру значительную энергию.

Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. На основе закона сохранения энергии можно также утверждать, что энергия связи ядра равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

В настоящее время рассчитать энергию связи теоретически, подобно тому как это можно сделать для электронов в атоме, не удается. Выполнить соответствующие расчеты можно, лишь применяя соотношение Эйнштейна между массой и энергией: Е = mс².                         (13.3)

Точнейшие измерения масс ядер показывают, что масса покоя ядра Мя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов:

М_я p + Nm_n.                         (13.4)

Существует, как говорят, дефект масс: разность масс

ΔM = Zm_p + Nm_n - М_я

положительна. В частности, для гелия масса ядра на 0,75% меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов. Соответственно для гелия в количестве вещества один моль ΔM = 0,03 г.

Уменьшение массы при образовании ядра из нуклонов означает, что при этом уменьшается энергия этой системы нуклонов на значение энергии связи Е_св:

Е_св = AM с² = (Zm_p + Nm_n - М_я) с²                         (13.5)

Но куда при этом исчезают энергия Е_св и масса ΔM?

При образовании ядра из частиц последние за счет действия ядерных сил на малых расстояниях устремляются с огромным ускорением друг к другу. Излучаемые при этом γ-кванты как раз обладают энергией Е_св и массой 

Энергия связи

Энергия связи — это энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц, и соответственно это та энергия, которая необходима для расщепления ядра на составляющие его частицы.

О том, как велика энергия связи, можно судить по такому примеру: образование 4 г гелия сопровождается выделением такой же энергии, что и при сгорании 1,5—2 вагонов каменного угля.

Важную информацию о свойствах ядер содержит зависимость удельной энергии связи от массового числа А.

Удельная энергия связи

Удельной энергией связи называют энергию связи, приходящуюся на один нуклон ядра. Ее определяют экспериментально. Из рисунка 13.11 хорошо видно, что, не считая самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Отметим, что энергия связи электрона и ядра в атоме водорода, равная энергии ионизации, почти в миллион раз меньше этого значения. Кривая на рисунке 13.11 имеет слабо выраженный максимум. Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

У тяжелых ядер удельная энергия связи уменьшается за счет возрастающей с увеличением Z кулоновской энергии отталкивания протонов. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро.

Частицы в ядре сильно связаны друг с другом. Энергия связи частиц определяется по дефекту масс.

3) Закрепление изученного. Итог урока.

§104-105

Вопрос к параграфу

1.Каковы главные особенности ядерных сил?

2. Что называют энергией связи ядра?

3. Почему ядро меди более устойчиво, чем ядро урана?