Состав атомного ядра ядерные силы. Конспект урока по физике "Состав атомного ядра. Энергия связи атомных ядер". Строение атомного ядра. Ядерные силы
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 | ||
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 .
Состав ядра атома
В 1932г. после открытия протона и нейтрона учеными Д.Д. Иваненко (СССР) и В. Гейзенберг (Германия) предложили протонно-нейтронную
модель
атомного ядра
.
Согласно этой модели ядро состоит из протонов и нейтронов.
Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом
A
: A
= Z
+ N
. Ядра химических элементов обозначают символом:
X
– химический символ элемента.
Например, – водород,
Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Заряд ядра равен Ze , где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N .
Ядерные силы
Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы кулоновского отталкивания протонов. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными . Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия – так называемого сильного взаимодействия. Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов.
Ядерные силы обладают следующими свойствами:
- обладают силами притяжения;
- является силами короткодействующими (проявляются на малых расстояниях между нуклонами);
- ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия у частиц электрического заряда.
Дефект массы и энергия связи ядра атома
Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра .
Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.
Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. В настоящее время физики научились измерять массы частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого ядра M
я всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов
: 
Разность масс называется дефектом масс . По дефекту массы с помощью формулы Эйнштейна E = mc 2 можно определить энергию, выделившуюся при образовании данного ядра, т. е. энергию связи ядра E св:
Эта энергия выделяется при образовании ядра в виде излучения γ-квантов.
Ядерная энергетика
В нашей стране была построена первая в мире атомная электростанция и запущена в 1954 году в СССР, в городе Обнинске. Развивается строительство мощных атомных электростанций. В настоящее время в России 10 действующих АЭС . После аварии на Чернобыльской АЭС приняты дополнительные меры по безопасности атомных реакторов.
«Физика - 11 класс»
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
Массы протона и нейтрона близки друг к другу и каждая из них примерно равна атомной единице массы.
Масса электронов в атоме много меньше массы его ядра.
Поэтому массовое число ядра равно округленной до целого числа относительной атомной массе элемента.
Массовые числа могут быть определены путем приближенного измерения массы ядер приборами, не обладающими высокой точностью.
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.
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.
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.
Изотопы
Изучение явления радиоактивности привело к важному открытию: была выяснена природа атомных ядер.
В результате наблюдения огромного числа радиоактивных превращений постепенно обнаружилось, что существуют вещества, тождественные по своим химическим свойствам, но имеющие совершенно различные радиоактивные свойства (т. е. распадающиеся по-разному).
Их никак не удавалось разделить ни одним из известных химических способов.
На этом основании Содди в 1911 г высказал предположение о возможности существования элементов с одинаковыми химическими свойствами, но различающихся, в частности, своей радиоактивностью.
Эти элементы нужно помещать в одну и ту же клетку периодической системы Д. И. Менделеева.
Содди назвал их изотопами
(т. е. занимающими одинаковые места).
Предположение Содди получило блестящее подтверждение и глубокое толкование год спустя, когда Дж. Дж. Томсон провел точные измерения массы ионов неона методом отклонения их в электрическом и магнитном полях.
Он обнаружил, что неон представляет собой смесь двух видов атомов.
Бо́льшая часть их имеет относительную массу, равную 20.
Но существует незначительная часть атомов с относительной атомной массой 22.
В результате относительная атомная масса смеси была принята равной 20,2.
Атомы, обладающие одними и теми же химическими свойствами, различались массой.
Оба вида атомов неона, естественно, занимают одно и то же место в таблице Д. И. Менделеева и, следовательно, являются изотопами.
Таким образом, изотопы могут различаться не только своими радиоактивными свойствами, но и массой.
Именно поэтому у изотопов заряды атомных ядер одинаковы, а значит, число электронов в оболочках атомов и, следовательно, химические свойства изотопов одинаковы.
Но массы ядер различны.
Причем ядра могут быть как радиоактивными, так и стабильными.
Различие свойств радиоактивных изотопов связано с тем, что их ядра имеют различную массу.
В настоящее время установлено существование изотопов у большинства химических элементов.
Некоторые элементы имеют только нестабильные (т. е. радиоактивные) изотопы.
Изотопы есть у самого тяжелого из существующих в природе элементов - урана (относительные атомные массы 238, 235 и др.) и у самого легкого - водорода (относительные атомные массы 1, 2, 3).
Особенно интересны изотопы водорода, так как они различаются по массе в 2 и 3 раза.
Изотоп с относительной атомной массой 2 называется дейтерием
.
Он стабилен (т. е. не радиоактивен) и входит в качестве небольшой примеси (1: 4500) в обычный водород.
При соединении дейтерия с кислородом образуется так называемая тяжелая вода.
Ее физические свойства заметно отличаются от свойств обычной воды.
При нормальном атмосферном давлении она кипит при 101,2 °С и замерзает при 3,8 °С.
Изотоп водорода с атомной массой 3 называется тритием
.
Он β-радиоактивен, и его период полураспада около 12 лет.
Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра определяет не все свойства атома, а лишь его химические свойства и те физические свойства, которые зависят от периферии электронной оболочки, например размеры атома.
Масса же атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номером в таблице Д. И. Менделеева.
Примечательно, что при точном измерении относительных атомных масс изотопов выяснилось, что они близки к целым числам.
А вот атомные массы химических элементов иногда сильно отличаются от целых чисел.
Так, относительная атомная масса хлора равна 35,5.
Это значит, что в естественном состоянии химически чистое вещество представляет собой смесь изотопов в различных пропорциях.
Целочисленность (приближенная) относительных атомных масс изотопов очень важна для выяснения строения атомного ядра.
Большинство химических элементов имеют изотопы.
Заряды атомных ядер изотопов одинаковы, но массы ядер различны.
