Тема: Состав атомного ядра. Ядерные силы.

Цель урока: познакомить учащихся с особенностями строения атомного ядра.

Задачи урока:

Образовательные:

} Повторить, обобщить и углубить знания о составе атомных ядер;

} Сформировать понятие «изотопы веществ»;

} Сформировать понятие «ядерная сила»;

} Изучить свойства ядерных сил;

Развивающие:

} Развить умения совершать мыслительные операции: анализ, синтез, систематизацию, сравнение, конкретизация;

} Развивать интерес к физике;

} Показать связь теоретических знаний с практикой;

} Научить пользоваться Периодической системой Менделеева для определения состава атомного ядра;

} Продолжить формирование умения применять теоретические знания при решении задач;

} Способствовать развитию гибкого мышления учащихся;

} Способствовать развитию у учащихся внимания;

Воспитывающие:

} Воспитание целостной картинки мира;

} Воспитать умение использовать знания, полученные учащимися при изучении других предметов.

Оборудование: Периодическая система Менделеева, презентация к уроку, раздаточный материал.

Эпиграф к уроку:

«Ум заключается не только в знании, но и в умении прилагать знание на деле»

Аристотель.

Ход урока.

I. Организационный момент.

Древнегреческий философ Аристотель сказал «Ум заключается не только в знании, но и в умении прилагать знание на деле». Пусть эти слова, сказанные еще в 4 веке до нашей эры, станут девизом нашего сегодняшнего урока.(Слайд 1)

II. Этап проверки домашнего задания

Фронтальный опрос:

1. Кто первый выдвинул гипотезу о том, что в состав атомных ядер всех химических элементов входит ядро атома водорода ? (английский физик Эрнест Резерфорд)

2. В каком году были получены факты подтверждающие справедливость данной гипотезы? (В 1919 г при наблюдении взаимодействия α – частиц с ядрами атомов азота)

3. Как иначе называется ядро атома водорода? (протон от греческого слова protos – первый)

4. Благодаря изобретению, какого прибора окончательно было доказано существование протона? (камера Вильсона)

5. Запишите на доске символьное обозначение протона (11Н, 11р)

6. О существовании, каких частиц входящих в атомное ядро в 1920 году выдвинул предположение Эрнест Резерфорд? (нейтрон)

7. Кем и когда данное предположение было доказано? (в 1932 г - английский физик Джеймс Чедвиг (ученик Резерфорда))

8. Запишите на доске символьное обозначение нейтрон (10n).

Возьмите оценочные листы (Приложение 1)и поставьте себе оценку за данный этап урока

III. Этап изучения нового материала.

1.Каждый должен хотя бы в общих чертах представлять, как устроен мир, в котором он живет. Поэтому важно знать, что мир познаваем, что по мере углубления знаний картина мира усложняется.

Ребята, как вы думаете, очём мы будем сегодня говорить на уроке?

А я думаю, что мы будем изучать строение атома.)

Да мы продолжим работу по изучению строения атомного ядра. Тема нашего урока: «Строение атомного ядра. Ядерные силы». Запишите тему урока в тетради (Слайд 2).

Давайте попробуем определить цели и задачи урока.

(Изучить строение атомных ядер. Какие силы удерживают частицы, из которых состоят ядра) (Слайд 3)

В истории современной физики есть год, который называют «годом чудес». Это 1932 год. Одним из его «чудес» было открытие нейтрона и создание нейтронно - протонной модели атомного ядра (советскими физиками – и Гапоном; немецким физиком – Вернером Гейзенбергом; итальянским физиком – Майораном).

Ядро имеет форму шара R ≈ 10-15 м, в нем сконцентрировано приблизительно 99,96% всей массы атома, ρ = 2,7∙1017 кг/м³.

Протон: р (1919 г), время жизни 10³¹ лет, m = 1836,2me, qp = +e

Нейтрон: n, q=0, время жизни вне ядра 15 мин, m=1838,7me

О составе атомного ядра нам подготовил сообщение Скоробогатько Вадим.

Обе эти частицы часто называют еще нуклонами.(Слайд 4.)

Любой химический элемент обозначается условно – Х (Слайд 5).

Число частиц входящих в состав атомного ядра называется массовым числом и обозначается A. (Слайд 6).

Число протонов в ядре называется зарядовым числом и обозначается Z. (Слайд 7)

Число нейтронов входящих в состав ядра обозначается N.

A= N + Z (Слайд 8).

2.Дальнейшее исследование атомных ядер привело к обнаружению того, что у одного и того же химического элемента атомы могут иметь ядра разной массы.

Причем все эти атомы обладали одинаковыми химическими свойствами, а, следовательно, имеют одинаковый заряд ядра. Если заряды ядер одинаковы, значит, имеют один и тот же порядковый номер в таблице, т. е. занимают в таблице одну и туже клетку.

(Слайд 9). Все разновидности одного химического элемента назвали изотопами.

Сейчас уже экспериментально доказано, что почти все химические элементы имеют изотопы.

Например:

11Н - протий 21Н - дейтерий 31Н – тритий.

Наличие, каких частиц входящих состав ядра различно для изотопов? (нейтронов)

Именно наличие, различного числа нейтронов в ядрах изотопов является причинной различных физических свойств химических веществ, которые более подробно будут изучены в 11 классе .

3.Гипотеза о протонно – нейтронном составе атомного ядра подтвердилась, но возникает следующий вопрос: почему ядро не распадается на отдельные частицы?

Чтобы ответить на поставленный вопрос вспомним ранее изученный материал:

Между всеми телами имеющими массу существует взаимное притяжение. Сила тяготения рассчитывается по закону всемирного тяготения: F=Gm1m2/r2.

Протоны, входящие в состав ядра обладают положительным зарядом, а значит, между ними возникает отталкивание, к тому же сила электрического отталкивания в 1039 раз больше чем сила гравитационного притяжения. Только из этого факта можно сделать вывод, что между частицами входящими в состав ядра возникает взаимодействие еще более сильное, чем электрическое, иначе протоны, входящие в состав ядра разлетелись с огромной скоростью.

Ученые пришли к выводу, что в природе существует еще один вид взаимодействия, которое было названо сильным.

(Слайд 10). Силы притяжения между частицами входящими в состав ядра назвали ядерными.

(Слайд 11). Свойства ядерных сил:

Ø являются только силами притяжения;

Ø во много раз больше кулоновских сил;

Ø не зависят от наличия заряда;

Ø короткодействующие: заметны на расстоянии r ≈ 2,2∙10 -15 м;

Ø взаимодействуют с ограниченным числом нуклонов (свойство насыщения).

https://pandia.ru/text/80/367/images/image003_45.gif" width="31" height="13">0 " style="border-collapse:collapse;border:none">

Название вещества

Массовое число, A

Зарядовое число, Z

Число нейтронов, N

Германий

Проверьте как вы выполнили задание и поставьте себе оценку в оценочном листе за данный вид работы.

2.Слайд 14. Определить недостающий химический элемент.

Слайд 15. Проверьте как вы выполнили задание и поставьте себе оценку в оценочном листе за данный вид работы.

Mg

Na

Li

C

O

3.Составьте вопросы к кроссворду(1 вариант – к словам расположенным по горизонтали, 2 вариант – к словам расположенным по вертикали) (Приложение 1)

Поставьте себе оценку в оценочном листе за данный вид работы.

VI. Подведение итогов урока

Закончите фразу:

1. Атом любого химического элемента состоит из…

2. Ядро любого химического элемента состоит из…

3. Сумму протонов и нейтронов называют …, в периодической системе массовое число равно….

4. В периодической системе число протонов в ядре равно …, и называется ….

5. Число нейтронов в ядре равно … (разности массового и зарядового числа)

6. Протоны и нейтроны удерживаются в ядре …. (ядерными силами)

7. Изотопы – это… (разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер).

8. Энергия связи – это… (энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны).

9. Ядерной реакцией называется … (изменение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом).

Какаие вы ставили перед собой цели и удалось ли вам их достичь? Выставьте себе оценку в оценочном листе за данный вид работы.

Подсчитайте среднюю оценку за урок.

VII. Слайд 17. Д/з: §61, 62 упр. 45 (учебник: ,)

VIII. Рефлексия.

Продолжите фразу

Сегодня на уроке

} Я почувствовал …
Я понял …
Я буду …

Физика наука о природе - показывает нам как велик мир в котором мы живем, но этот мир познаваем, а значит, физика дает человеку необыкновенную силу.

Из мысли о мельчайших частицах, в конце концов, появились все блага, которыми мы сегодня располагаем: новые материалы, телевизоры, лазер, компьютер. А главная идея о мельчайших частицах помогла понять мир с единой точки зрения.

Ребята, наш урок подошел к концу. Мне бы хотелось его закончить словами пословицы «Не стыдно не знать, стыдно не учиться!». А сколько еще непознанного вокруг! Какое поле деятельности для пытливого ума. Так что запускайте свой «вечный двигатель», и вперед!

Приложение 1.

Оценочный лист__________________________________________________

	Вид работы
	Проверка домашней работы
	Изучение нового материала
	Закрепление
	Подготовка к ГИА а)заполнение таблицы

При помощи этого видеоурока все желающие смогут самостоятельно изучить тему «Состав атомного ядра. Массовое число. Зарядовое число. Ядерные силы». В ходе занятия учитель расскажет о строении атома, а также проведет промежуточный итог по всем предыдущим урокам, посвященным строению атому.

Физика 9 класс

Тема: Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер

Урок 56. Состав атомного ядра. Массовое число. Зарядовое

число. Ядерные силы

Ерюткин Евгений Сергеевич

учитель физики высшей категории ГОУ СОШ №1360

Москва

Здравствуйте! Сегодняшний урок будет посвящен вопросу, связанному с обсуждением строения ядра атома, зарядовому числу, массовому числу, поговорим также о том, что такое ядерные силы. Наш урок - это подведение некоторого промежуточного итога по всем ранее изученным вопросам. Мне бы хотелось сказать то, что мы изучали вопросы, связанные со строением атома и строением ядра. Поэтому сегодня мы поговорим именно об этом. Некоторый итог предыдущим темам, предыдущим вопросам. Прежде чем мы перейдем к тому вопросу, который обозначен первым, мы поговорим вот о чем. На предыдущем уроке мы говорили, что Резерфорд в своих экспериментах установил, что существует такая частица, как протон. Через некоторое время в 1932 году Чедвик установил, что существует еще одна частица, которая называется нейтрон. После этого открытия независимо друг от друга два человека, русский ученый Иваненко и немецкий ученый Гейзенберг, предложили протонно-нейтронную модель строения ядра атома. По этой теории Иваненко - Гейзенберга, ядро любого атома содержит протоны и нейтроны. Эти протоны и нейтроны вместе, те, которые находятся в ядре атома, было решено называть нуклонами. Таким образом, «нуклон» (от лат. «ядро») - общее название для протонов и нейтронов. Те частицы, которые имеют заряд, и те частицы, которые заряд не имеют, нейтроны, эти все частицы вместе называются нуклонами. Давайте еще вот о чем поговорим. Идея о заряде ядра была впервые выдвинута в 1913 году английским ученым Генри Мозли. Он предложил, что, раз атом электронейтрален, порядковый номер элемента, умноженный на элементарный электрический заряд, это и есть заряд ядра. Каким образом Мозли пришел к такому заключению? Дело в том, что количество электронов в атоме соответствует порядковому номеру. Значит, заряд всех электронов - это произведение порядкового номера на заряд одного электрона. Поскольку в ядре сосредоточен положительный заряд, значит, то же самое можно говорить и о ядре. Давайте посмотрим на то, как пришел Мозли именно к тому, что мы называем зарядовым числом. Посмотрите:

q Я = Z . | e |

q Я - заряд ядра

е - заряд электрона

Z - число протонов в ядре, зарядовое число

Заряд числа, по такому утверждению, определяется как произведение порядкового номера на элементарный электрический заряд. В данном случае е - это заряд электрона, элементарный электрический заряд его называют, и взят он по модулю, потому что понятно, что заряд ядра у нас положительный. В этом случае порядковый номер стали называть зарядовым числом, порядковый номер - это число, соответствующее числу протонов в ядре. Таким образом, мы, говоря о порядковом номере, можем говорить о количестве протонов в ядре. Следующее число, о котором необходимо сказать, - это число массы. Оно, это число, обозначено буквой А, и это самое число берут то же из таблицы Менделеева и округляют его до целых. Дальше мы можем говорить о том уравнении, которое называется во всем мире уравнением Иваненко - Гейзенберга. Это уравнение состоит из трех чисел: массового числа, зарядового числа и числа нейтронов. Давайте посмотрим, как оно записывается и как обозначаются данные величины.

Уравнение Иваненко - Гейзенберга

А = Z + N

А - массовое число,

Z - порядковый номер элемента,

N - число нейтронов в ядре

Посмотрите: массовое число А говорит о том, какое количество нуклонов входит в ядро. Оказалось, что, по таблице Менделеева определяя массовое число химического элемента, мы определяем число нуклонов в ядре атома.

Z, как мы говорили, будет порядковый номер и число протонов в ядре. N в данном случае - это число нейтронов. Таким образом, мы можем из этого уравнения определить число нейтронов, число протонов, зная массовое число и порядковый номер. Здесь необходимо отметить важный момент. Дело в том, что в 1913 году еще один ученый Содди (вы помните, что этот человек работал вместе с Резерфордом) установил интересную вещь. Выяснено было, что существуют химические элементы с абсолютно одинаковыми химическими свойствами, но разным массовым числом. Такие элементы, у которых одинаковые химические свойства, но разное массовое число, стали называть изотопами. Изотопы - это химические элементы с одинаковыми химическими свойствами, но с различной массой атомных ядер.

Еще надо добавить, что у изотопов разная радиоактивность. Все это вместе привело к изучению этого вопроса. Здесь показаны изотопы легких и тяжелых элементов химических. Давайте посмотрим. Мы выбрали специально разные области таблицы Менделеева, чтобы показать, что практически все элементы химические имеют изотопы.

Изотопы:

Н - протий U

H - дейтерий U

Н - тритий

У водорода этих изотопов три. Первый изотоп Н называется протий. Обратите внимание, что порядковый номер ставится внизу, вот это число Z, а сверху пишется массовое число - это число А. Сверху А, внизу Z, и если мы понимаем, что это обозначает, что в ядре атома протия самый простой химический элемент, самый распространенный во вселенной. Там всего лишь 1 протон, а нейтронов в этом ядре совсем нет. Есть второй вид водорода - это дейтерий. Наверное, многие слышали такое слово. Обратите внимание: порядковый номер 1, а массовое число равно 2. Так что ядро дейтерия состоит уже из 1 протона и из одного нейтрона. И есть еще один изотоп водорода. Называется тритий. Тритий как раз (порядковый номер первый), а массовое число говорит о том, что в ядре этого изотопа находятся 2 нейтрона. И еще один элемент - это уран. Совсем другая сторона таблицы Менделеева. Это уже тяжелые элементы. У урана 2 изотопа распространенных. Это уран 235. Порядковый номер 92, а массовое число 235. Сразу можно говорить о том, чем отличается ядро одного элемента от другого. Второй изотоп: тоже порядковый номер 92, а массовое число 238. Очень часто, когда идет речь об изотопах, в частности урана, никогда не говорят порядкового номера. Просто говорят «уран», называют химический элемент и говорят его массовое число - 238. Или уран 235. Мы обсуждаем этот вопрос по той простой причине, что знаем, как сегодня этот химический элемент важен для энергетики нашей страны и вообще мировой энергетики в целом.

Следующий вопрос, который мы должны затронуть, вытекает из сказанного. Как эти частицы, эти нуклоны удерживаются внутри ядра? Мы назвали различные химические элементы, изотопы различные, особенно у тяжелых элементов, там, где нуклонов, т.е. протонов и нейтронов, много. Как, каким образом они удерживаются внутри ядра? Мы знаем, что в маленьком ядре расстояния, размеры ядра очень и очень малы, бывает собрано большое количество частиц нуклонов. Как эти нуклоны там так плотно, тесно удерживаются, какими силами? Ведь за счет электростатического отталкивания эти частицы должны очень быстро распадаться, разлетаться. Мы знаем, что разноименные только заряды притягиваются, частицы, заряженные разноименными зарядами. Если частицы заряжены одноименно, понятно, что они должны отталкиваться. Внутри ядра находятся протоны. Они положительно заряжены. Размер ядра очень мал. В этом же ядре находятся еще и нейтроны, значит, должны быть силы, которые удерживают вместе те и другие частицы. Эти самые силы называют ядерными силами. Ядерные силы - это силы притяжения, действующие между нуклонами . Можно сказать, что у этих сил существуют свои особые свойства.

Первое свойство, о котором мы должны сказать, - это то, что ядерные силы должны превосходить силы электростатического отталкивания. И это так, когда удалось их определить, то выяснилось, что они в 100 раз превосходят силы электростатического отталкивания. Еще одно очень важное замечание, что действуют ядерные силы на малом расстоянии . Например, 10 -15 м - это и есть диаметр ядра, эти силы действуют. Но стоит только увеличиться размеру ядра до 10 -14 , казалось, совсем немного, то это приводит к тому, что ядро обязательно распадется. На этом расстоянии уже ядерные силы не действуют. А силы электростатического отталкивания продолжают действовать и именно они отвечают за то, что ядро распадается.

Еще можно сказать о ядерных силах то, что они не центральны , т.е. они не действуют вдоль прямой, соединяющей эти частицы. И то, что ядерные силы не зависят от того, обладает частица зарядом или не обладает, потому что в ядро входят и протоны, и нейтроны. Вместе эти частицы находятся. Таким образом, вывод: эти частицы, нуклоны, удерживаются в ядре за счет ядерных сил, и эти силы действуют только в ядре. Еще можно отметить, что ядерные силы имеют важное значение в плане стабильности ядра. Отвечают за долговременность существования этого элемента. В заключение мы можем отметить еще одно: когда мы будем говорить об энергетике, вот здесь именно ядерные силы будут играть основную роль. Об этом мы поговорим на следующих уроках. До свидания.

Задание к уроку .

1. Определите нуклонный состав ядер железа (количество нуклонов, протонов, нейтронов).

2. В ядре атома химического элемента 22 протона и 26 нейтронов. Назовите этот химический элемент.

3. Оцените силу гравитационного взаимодействия между двумя нейтронами в ядре. Масса нейтрона примерно равна 1,7*10 -27 кг, расстояние между нейтронами примите равным 10 -15 м, значение гравитационной постоянной 6,67*10 -11 (Н*м 2 )/кг 2 .

Атомное ядро — это центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов (которые вместе называются нуклонами ).

Ядро было открыто Э. Резерфордом в 1911 г. при исследовании прохождения α -частиц через вещество. Оказалось, что почти вся масса атома (99,95%) сосредоточена в ядре. Размер атомного ядра имеет порядок величины 10 -1 3 -10 - 12 см, что в 10 000 раз меньше размера электронной оболочки.

Предложенная Э. Резерфордом планетарная модель атома и экспериментальное наблюдение им ядер водорода , выбитых α -частицами из ядер других элементов (1919-1920 гг.), привели уче-ного к представлению о протоне . Термин протон был введен в начале 20-х гг XX ст.

Протон (от греч. protons — первый, символ p ) — стабильная элементарная частица, ядро ато-ма водорода.

Протон — положительно заряженная частица, заряд которой по абсолютной величине равен заряду электрона e = 1,6 · 10 -1 9 Кл. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Масса покоя протона m р = 1,6726231 · 10 -27 кг = 1,007276470 а.е.м.

Второй частицей, входящей в состав ядра, является нейтрон .

Нейтрон (от лат. neuter — ни тот, ви другой, символ n ) — это эле-ментарная частица, не имеющая заряда, т. е. нейтральная.

Масса нейтрона в 1839 раз превышает массу электрона. Масса нейтрона почти равна (незначительно больше) массе протона: масса покоя свободного нейтрона m n = 1,6749286 · 10 -27 кг = 1,0008664902 а.е.м. и превосходит массу протона па 2,5 массы электрона. Нейтрон, наря-ду с протоном под общим названием нуклон входит в состав атомных ядер.

Нейтрон был открыт в 1932 г. учеником Э. Резерфорда Д. Чедвигом при бомбардировке бериллия α -частицами. Возникающее при этом излучение с большой проникающей способностью (преодолевало пре-граду из свинцовой пластины толщиной 10-20 см) усиливало свое действие при прохождении через парафиновую пластину (см. рисунок). Оценка энергии этих частиц по трекам в камере Вильсона, сделанная супругами Жолио-Кюри, и дополнительные наблюдения позволили исключить первоначальное предположение о том, что это γ -кванты. Большая проникающая способность новых частиц, названных ней-тронами, объяснялась их электронейтральностью. Ведь заряженные частицы активно взаимодействуют с веществом и быстро теряют свою энергию. Существование нейтронов было предсказано Э. Резерфордом за 10 лет до опытов Д. Чедвига. При попадании α -частиц в ядра бериллия происходит следующая реакция:

Здесь — символ нейтрона; заряд его равен нулю, а относительная атомная масса прибли-зительно равна единице. Нейтрон — нестабильная частица: свободный нейтрон за время ~ 15 мин. распадается на протон, электрон и нейтрино — частицу, лишенную массы покоя.

После открытия Дж. Чедвиком нейтрона в 1932 г. Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную (нуклонную) модель ядра . Согласно этой моде-ли, ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов Z совпадает с порядковым номером элемента в таблице Д. И. Менделеева .

Заряд ядра Q определяется числом протонов Z , входящих в состав ядра, и кратен абсолютной величине заряда электрона e :

Q = +Ze.

Число Z называется зарядовым числом ядра или атомным номером .

Массовым числом ядра А называется общее число нуклонов, т. е. протонов и нейтронов, содер-жащихся в нем. Число нейтронов в ядре обозначается буквой N . Таким образом, массовое число равно:

А = Z + N.

Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону — нулевое значение.

Представлению о составе ядра содействовало также открытие изотопов .

Изотопы (от греч. isos — равный, одинаковый и topoa — место) — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которых имеют одинаковое число прото-нов (Z ) и различное число нейтронов (N ).

Изотопами называются также ядра таких атомов. Изотопы являются нуклидами одного эле-мента. Нуклид (от лат. nucleus — ядро) — любое атомное ядро (соответственно атом) с заданными числами Z и N . Общее обозначение нуклидов имеет вид ……. где X — символ химического эле-мента, A = Z + N — массовое число.

Изотопы занимают одно и то же место в Периодической системе элементов, откуда и про-изошло их название. По своим ядерным свойствам (например, по способности вступать в ядерные реакции) изотопы, как правило, существенно отличаются. Химические (b почти в той же мере физические) свойства изотопов одинаковы. Это объясняется тем, что химические свойства элемен-та определяются зарядом ядра, поскольку именно он влияет на структуру электронной оболочки атома.

Исключением являются изотопы легких элементов. Изотопы водорода 1 Н — протий , 2 Н — дейтерий , 3 Н — тритий столь сильно отличаются по массе, что и их физические и хими-ческие свойства различны. Дейтерий стабилен (т.е. не радиоактивен) и входит в качестве неболь-шой примеси (1: 4500) в обычный водород. При соединении дейтерия с кислородом образуется тяжелая вода . Она при нормальном атмосферном давлении кипит при 101,2 °С и замерзает при +3,8 ºС. Тритий β -радиоактивен с периодом полураспада около 12 лет.

У всех химических элементов имеются изотопы. У некоторых элементов имеются только нестабильные (радиоактивные) изотопы. Для всех элементов искусственно получены радиоактив-ные изотопы.

Изотопы урана. У элемента урана есть два изотопа — с массовыми числами 235 и 238. Изотоп составляет всего 1/140 часть от более распространенного .

Протонно-электронная теория

К началу $1932$ г. Было известно только три элементарные частицы: электрон, протон и нейтрон. По этой причине было сделано предположение, что ядро атома состоит с протонов и электронов (протонно-электронная гипотеза). Считалось, что в состав ядра с номером $Z$ в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и массовым числом $A$ входит $A$ протонов и $Z-A$ нейтронов. В соответствии с этой гипотезой электроны, которые входили в состав ядра, выполняли роль «цементирующего» средства, с помощью которого положительно заряженные протоны удерживались в ядре. Сторонники протонно-электронной гипотезы состава атомного ядра считали, что $\beta ^-$ - радиоактивность -- это подтверждение правильности гипотезы. Но эта гипотеза оказалась на в состоянии объяснить результаты эксперимента и была отброшена. Одним с таких затруднений была невозможность объяснить то, что спин ядра азота $^{14}_7N$ равен единице $(\hbar)$. В соответствии с протонно-электронной гипотезой, ядро азота $^{14}_7N$ должно состоять с $14$ протонов и $7$ электронов. Спин протонов и электронов равен $1/2$. По этой причине ядро атома азота, которое состоит в соответствии с этой гипотезой с $21$ частицы, должно иметь спин $1/2,\ 3/2,\ 5/2,\dots 21/2$. Это несоответствие протонно-электронной теории названо «азотной катастрофой». Так же непонятным было то, что при наличии электронов в ядре его магнитный момент имеет малый магнитный момент по сравнению с магнитным моментом электрона.

В $1932$ году Дж. Чедвик открыл нейтрон. После этого открытия Д. Д. Иваненко и Е. Г. Гапон выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомного ядра, какую подробно разработал В. Гейзенберг.

Замечание 1

Протонно-нейтронный состав ядра подтвержден не только теоретическими выводами, но и непосредственно опытами по расщеплению ядра на протоны и нейтроны. Сейчас общепринято, что атомное ядро состоит с протонов и нейтронов, которые так же называются нуклонами (от латинского nucleus -- ядро, зерно).

Строение атомного ядра

Ядро являет собой центральную часть атома, в которой сосредоточено положительный электрический заряд и основная часть массы атома. Размеры ядра, в сравнении с орбитами электронов чрезвычайно малы: $10^{-15}-10^{-14}\ м$. ядра состоят с протонов и нейтронов, которые почти одинаковы по массе, но электрический заряд несет только протон. Полное число протонов называется атомным номером $Z$ атома, который совпадает с числом электронов у нейтральном атоме. Нуклоны удерживаются в ядре большими силами, по своей природе эти силы не относятся ни к электрическим ни к гравитационным, а по величине они на много превышают силы, которые связывают электроны с ядром.

Согласно протонно-нейтронной модели строения ядра:

• ядра всех химических элементов состоят из нуклонов;
• заряд ядра обусловлен только протонами;
• число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента;
• число нейтронов равно разности между массовым числом и числом протонов ($N=A-Z$)

Протон ($^2_1H\ или\ p$) -- положительно заряженная частица: её заряд равен заряду электрона $e=1.6\cdot 10^{-19}\ Кл$, а масса покоя $m_p=1.627\cdot 10^{-27}\ кг$. Протон является ядром налёгшего нуклона атома гидрогена.

Для упрощения записей и расчётов массу ядра зачастую определяют в атомных единицах массы (а.е.м) или в единицах энергии (записывая вместо массы соответствующую энергию $E=mc^2$ в электрон-вольтах). За атомною единицу массы берут $1/12$ массы нуклида углерода $^{12}_6С$. В этих единицах получаем:

Протон подобно электрону имеет собственный момент импульса -- спин, который равен $1/2$ (в единицах $\hbar $). Последний, во внешнем магнитном поле может ориентироваться только так, что его проекция и направления поля равны $+1/2$ или $-1/2$. Протон, как и электрон, подлежит квантовой статистике Ферми-Дирака, т.е. принадлежит к фермионам.

Протон характеризируется собственным магнитным моментом, который для частицы со спином $1/2$ зарядом $e$ и массой $m$ равен

Для электрона собственный магнитный момент равен

Для описания магнетизма нуклонов и ядер используют ядерный магнетон (в $1836$ раз меньше магнетона Бора):

Поначалу считали, что магнитный момент протона равен ядерному магнетону, т.к. его масса в $1836$ раз больше массы электрона. Но измерения показали, что на самом деле собственный магнитный момент протона в $2,79$ раз больше от ядерного магнетрона, имеет положительный знак, т.е. направление совпадает со спином.

Современная физика объясняет эти разногласия тем, что протоны и нейтроны взаимопреобразуются и на протяжении некоторого времени пребывают в состоянии диссоциации на $\pi ^\pm $ -- мезон и соответственного знака другой нуклон:

Масса покоя $\pi ^\pm $ - мезона равна $193,63$ МэВ, по этому его собственный магнитный момент в $6,6$ раз больше от ядерного магнетона. В измерениях появляется некоторое эффективное значение магнитного момента протона и $\pi ^+$ -- мезонного окружения.

Нейтрон ($n$) -- электрически нейтральная частица; ее масса покоя

Хоть нейтрон и лишен заряда, он имеет магнитный момент $\mu _n=-1.91\mu _Я$. Знак «$-$» показывает, что за направлением магнитный момент противоположный спину протона. Магнетизм нейтрона определяется эффективным значением магнитного момента частиц, на которые он способен диссоцыировать.

В свободном состоянии нейтрон неустойчивая частица и произвольно распадается (период полураспада $12$ мин): излучая $\beta $ -- частицу и антинейтрино он превращается в протон. Схема распада нейтрона записывается в таком виде:

В отличии от внутриядерного распада нейтрона $\beta $ -- распад принадлежит и до внутреннего распада и до физики элементарных частиц.

Взаимное преобразование нейтрона и протона, равенство спинов, приближённость масс и свойств дают основания предполагать, что речь идет о двух разновидностях одной и той же ядерной частицы -- нуклона. Протонно-нейтронная теория хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Как составляющие ядра протоны и нейтроны обнаруживают в многочисленных реакциях деления и синтеза.

В произвольных и штучных делениях ядер наблюдаются так же потоки электронов, позитронов, мезонов, нейтрино и антинейтрино. Масса $\beta $ -- частицы (электрон или позитрон) в $1836$ раз меньше массы нуклона. Мезоны -- положительные, отрицательные и нулевые частицы -- по массе занимают промежуточное место между $\beta $ -- частицами и нуклонами; время жизни таких частиц очень мало и составляет миллионные доли секунды. Нейтрино и антинейтрино -- элементарные частицы, масса покоя которых равна нулю. Однако электроны, позитроны и мезоны не могут быть составляющими ядра. Эти легкие частицы не могут быть локализованы в малом объеме, которым является ядро радиусом $\sim 10^{-15}\ м$.

Для доказательства этого определим энергию электрического взаимодействия (например, электрона с позитроном или протоном в ядре)

и сравним ее с собственной энергией электрона

Посколькy энергия внешнего взаимодействия превышает собственную энергию электрона, он не может существовать и сохранять собственную индивидуальность, в условиях ядра он будет уничтожен. Другая ситуация с нуклонами, их собственная энергия более $900$ МэВ, поэтому в ядре они могут сохранять свои особенности.

Легкие частицы излучаются с ядер в процессе перехода их с одного состояния в другое.

Состав атомного ядра
Общее число нуклонов в данном ядре
называется массовым числом, обозначается
Число протонов в ядре называется
зарядовым числом, обозначается
(оно равно номеру химического элемента)
Число нейтронов в ядре обозначается
Ядро атома обозначают так же, как и
соответствующий химический элемент,
ставя перед ним вверху – массовое число,
а внизу - зарядовое число
207
Например: 235
Pb
82
92
U

Протонно-нейтронная модель ядра
1
1
p
протон
+
Ядро
Z – число протонов в ядре
N – число нейтронов в ядре
m p mN 1а.е.м.
me mядра
нейтрон 1
0
n
А = Z+N – массовое число
А = М (округляют до целого числа)
Сколько протонов и нейтронов содержится в ядре изотопов урана?
А) 235
92
U
А=235
Б) 238
Z=92
92
N=A-Z = 235-92=143
U
А=238
Z=92
N=A-Z = 238-92=146

Изотопы

У одного и того же химического элемента
встречаются атомы с различными по массе
ядрами.
Ядра с одинаковым зарядом, но разными массами
назвали изотопами.
Изотопы (от греческих слов isos – одинаковый и topos
– место) имеют одинаковый порядковый номер в
таблице Менделеева
У изотопов одинаковое число протонов, но разное
число нейтронов.
Изотопы
физические
3 свойства
1 имеют разные
2
Например:
водород1 имеет три изотопа
1
1
H
протий
Н
Н
дейтерий
тритий

99,985%
0,015%
Природный изотопный состав Н
10 15 10 16%

17
С 1906 г. известно
35
17
Cl
Cl
37
17
М = 35,457
Cl
92
U
239
92
U
234
92
U
235
92
U
238
92
U
М = 238,0289

Какие силы обеспечивают устойчивость атомного ядра?

Вариант ответа: Гравитационные силы
Ответ неверный, так как эти силы
значительно меньше электростатических сил
отталкивания между протонами.
Современные учёные для объяснения
устойчивости ядра используют понятие
ядерных сил
Ядерные силы – это силы, действующие
между нуклонами в ядре и обеспечивающие
существование устойчивых ядер
Ядерные силы относятся к сильному
взаимодействию

Свойства ядерных сил

Ядерные силы - это силы притяжения, так как они
удерживают нуклоны внутри ядра (при очень сильном
сближении нуклонов ядерные силы между ними имеют
характер отталкивания).
Ядерные силы – это не электрические силы, так как они
действуют не только между протонами, но и между не
имеющими зарядов нейтронами, и не гравитационные,
которые слишком малы для объяснения ядерных эффектов.
Изучение степени связанности нуклонов в разных ядрах
показывают, что ядерные силы обладают свойством
насыщения, аналогичным валентности химических сил.
В соответствии с этим свойством ядерных сил один
и тот же нуклон взаимодействует не со всеми
остальными нуклонами ядра, а только с несколькими
соседними.

Свойства ядерных сил

Важнейшим свойством ядерных сил является их зарядовая
независимость, то есть тождественность трёх типов
ядерного взаимодействия: между двумя протонами, между
протоном и нейтроном, и между двумя нейтронами.
Область действия ядерных сил, ничтожно мала.
Радиус их действия 10 -13 м. При больших расстояниях
между частицами ядерное взаимодействие не проявляется.
Ядерные силы (в той области, где они действуют) очень
интенсивные. Их интенсивность значительно больше
интенсивности электромагнитных сил, так как ядерные силы
удерживают внутри ядра, одноимённо заряженные протоны,
отталкивающиеся друг от друга с огромными
электрическими силами.
С увеличением расстояния очень быстро убывают.
(на расстоянии 1,4 10 15 м их действием можно
пренебречь)

Решение задач
1. Сколько нуклонов содержат ядра:
6
3
Li
64
29
108
47
Cu
Ag
207
82
Pb
2. Определите нуклоновый состав ядер:
4
2
He
16
8
O
79
34
Se
3. Назовите химический элемент, в атомном ядре
которого содержатся нуклоны:
А). 7p + 7n
14
7
N
Б). 18p + 22n 40 Ar
18
В). 33p + 42n
75
33
Г). 84p + 126n
210
84
As
Po

РАДИОАКТИВНОСТЬ

Открытие рентгеновских лучей
дало толчок новым
исследованиям. Их изучение привело к новым открытиям, одним
из которых явилось открытие радиоактивности.
Примерно с середины XIX
стали появляться
экспериментальные факты, которые ставили под сомнение
представления о неделимости атомов. Результаты этих
экспериментов наводили на мысль о том, что атомы имеют
сложную структуру и что в их состав входят электрически
заряженные частицы.
Наиболее ярким
свидетельством сложного
строения атома явилось
открытие явления
радиоактивности, сделанное
французским физиком Анри
Беккерелем в 1896 году.

Ученые пришли к выводу, что
радиоактивность представляет собой
самопроизвольный процесс, происходящий в атомах
радиоактивных элементов. Теперь это явления
определяют как самопроизвольное превращение
неустойчивого изотопа одного химического элемента
в изотоп другого элемента; при этом происходит
испускание электронов, протонов, нейтронов или
ядер гелия (α-частиц).

За 10 лет совместной
работы они сделали очень
многое для изучения
явления
радиоактивности.
Это был беззаветный
труд во имя науки – в
плохо оборудованной
лаборатории и при
отсутствии необходимых
средств.
Мария и Пьер Кюри в лаборатории

a - лучи
- лучи
b - лучи

a - частица – ядро атома гелия. a- лучи
обладают наименьшей проникающей
способностью. Слой бумаги толщиной около
0,1 мм для них уже не прозрачен. Слабо
отклоняются в магнитном поле.
У a- частицы на каждый из двух
элементарных зарядов приходится две
атомные единицы массы. Резерфорд
доказал, что при радиоактивном a - распаде
образуется гелий.

β - частицы представляют собой электроны,
движущиеся со скоростями, очень
близкими к скорости света. Они сильно
отклоняются как в магнитном, так и в
электрическом поле. β – лучи гораздо
меньше поглощаются при прохождении
через вещество. Алюминиевая пластинка
полностью их задерживает только при
толщине в несколько миллиметров.

- лучи представляют собой
электромагнитные волны. По своим
свойствам очень сильно напоминают
рентгеновские, но только их проникающая
способность гораздо больше, чем у
рентгеновских лучей. Не отклоняются
магнитным полем. Обладают наибольшей
проникающей способностью. Слой свинца
толщиной в 1 см не является для них
непреодолимой преградой. При прохождении
– лучей через такой слой свинца их
интенсивность убывает лишь вдвое.

Испуская α – и b - излучение, атомы
радиоактивного элемента изменяются,
превращаясь в атомы нового элемента.
В этом смысле испускание радиоактивных
излучений называют радиоактивным распадом.
Правила, указывающие смещение
элемента в периодической системе, вызванное
распадом, называются правилами смещения.

a –распад
-распад
b -распад

a – распадом называется
самопроизвольный распад атомного ядра на
a – частицу (ядро атома гелия 24 He) и ядропродукт. Продукт a – распада оказывается
смещенным на две клетки к началу
периодической системы Менделеева.
M
Z
X
M 4
Z 2
Y He
4
2

b – распадом называется
самопроизвольное превращение атомного
ядра путем испускания электрона. Ядро –
продукт бета-распада оказывается ядром
одного из изотопов элемента с порядковым
номером в таблице Менделеева на единицу
большим порядкового номера исходного
ядра.
M
Z
X Y e
M
Z 1
0
1

– излучение не сопровождается
изменением заряда; масса же ядра меняется
ничтожно мало.
M
Z
X Y
M
Z
0
0

Радиоактивный распад –
радиоактивное (самопроизвольное)
превращение исходного (материнского) ядра
в новые (дочерние) ядра.
Для каждого радиоактивного вещества
существует определенный интервал
времени, на протяжении которого
активность убывает в два раза.

Период полураспада Т – это
время, в течение которого
распадается половина
наличного числа
радиоактивных атомов.
N0 – число радиоактивных атомов в
начальный момент времени.
N – число нераспавшихся атомов в
любой момент времени.