ДИСТАНЦИОННОЕ ОБУЧЕНИЕ 9 класс "КВАНТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ"
методическая разработка по физике (9 класс) на тему

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА 1 УРОКА ФИЗИКИ

Ученика 9-А класса Новосёлова Ильи.

Тема урока: Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома.

Содержание урока: Модель атома Томсона. Опыты Резерфорда. Альфа-частицы. Планетарная модель атома. Электрон.

Изучение нового материала

КВАНТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ.

Слово “атом” придумал очень давно более 2500 лет назад древнегреческий философ Демокрит. С греческого “атом” переводится как “неделимый”. Так ли это?

В истории развития физики одна из самых интересных и увлекательных страниц – это история открытия сложного строения атома. В конце XIX – начале XX в. идеи о строении атома витали в воздухе, различные догадки ученых создавали духовную атмосферу, в которой, в конце концов, и рождалось открытие, ведь в то время ничего о внутреннем строении атома не было известно.

 После открытия в 1897 г. электрона, входящего в состав атома, был сделан вывод о сложном строении атома. Первая достаточно разработанная модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон. Согласно этой модели вещество в атоме несет положительный заряд и равномерно заполняет весь объем атома. Электроны “вкраплены” в атом. Первая модель атома сыграла положительную роль. Но она требовала доказательств.

Чтобы проверить гипотезу Дж. Дж. Томсона необходимо провести эксперимент, что и сделал Э. Резерфорд. Он решил проникнуть внутрь атома с помощью α-частиц, которые имели положительный заряд, массу почти в 7300 раз большую чем масса электрона и очень большую скорость (около 20000 км/c). С точки зрения Резерфорда α-частицы должны были легко "пробить" атом и тем самым доказать справедливость модели атома Томсона.

Если бы атом был устроен так, как предполагал Дж.Томсон, то Э.Резерфорд увидел бы следующую картину: α- частицы пробивают атом и практически не отклоняясь пролетают сквозь него.

В цилиндрическом сосуде с небольшим отверстием находился радиоактивный препарат, испускавший поток α-частиц. Они попадали на золотую фольгу и, проходя через нее, ударялись о люминесцирующий экран. В местах удара частиц на экране возникали вспышки света.

То, что некоторые α-частицы отскакивали от фольги назад, противоречило модели Томсона. Результаты эксперимента настолько удивили Резерфорда, что он воскликнул: "... неправдоподобно так же, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в папиросную бумагу, а снаряд отскочил бы обратно и убил бы вас самих".

Чтобы объяснить результаты опыта, Резерфорд рассуждал так. Известно, что α-частицы имеют положительный заряд. Если некоторые из них отталкиваются фольгой назад, значит, положительный заряд есть и в атомах фольги. Но поскольку большая часть α-частиц пролетает сквозь фольгу, почти не отклоняясь при этом, значит, этот положительный заряд занимает лишь малую часть каждого атома. Ее назвали ядром атома.

Подсчитывая частицы, отклоняющиеся после пролета фольги на большие и малые углы, определили приблизительные размеры ядра: около 10-14 м. Это число оказалось примерно в 10 000 – 100 000 раз меньше размеров самого атома. Поэтому свободное пространство в модели атома Резерфорд "заполнил" электронами. Он, в частности, говорил, что атом "состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины".

Наблюдавшееся Резерфордом рассеяние заряженных частиц и объясняется таким распределением зарядов в атоме. При столкновениях с отдельными электронами α-частицы испытывают отклонения на очень небольшие углы, так как масса электрона мала. Однако в тех редких случаях, когда она пролетает на близком расстоянии от одного из атомных ядер, под действием сильного электрического поля ядра может произойти отклонение на большой угол.

Так как большая часть пространства в атоме пуста, быстрые α-частицы могут почти свободно проникать через значительные слои вещества, содержащие несколько тысяч слоев атомов.

Резерфорд предложил планетарную модель атома.

Планетарная модель атома: в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, вращаются под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны. Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

Размеры. Радиус атома: 10-10 м;  радиус ядра: 10-10 – 10-14 м.

Практически вся масса атома сосредоточена в ядре – 99,95 %. Из опытов следует, что ядро и отталкивает альфа-частицу, причем тем сильнее, чем ближе к ядру она проходит. По соотношению между общим числом частиц и числом отклонившихся на определенные углы частиц рассчитывается размер ядра и заряд ядра.

Строение всех атомов зашифровано в периодической системе химических элементов. Порядковый номер химического элемента показывает электрический заряд ядра атома Z, этот заряд численно равен сумме зарядов протонов в ядре атома Z▪р; т.к. атом в целом электрически нейтральная частица, то суммарный положительный заряд атома равен суммарному отрицательному заряду, следовательно, равен числу электронов в оболочке атома.

В нормальном состоянии у атомов Z ▪ е= Z ▪ р.

Протоны – положительно заряженные частицы, а электроны – отрицательно, но притяжение и слияние этих частиц не происходит, потому что электрон вращается, причем с очень большой скоростью: v ≈ 1000 000 м/с. Например, Земля вращается вокруг Солнца со скоростью v ≈ 29 800 м/с.

Сравним массы электрона, протона и нейтрона.

mе = 9,109 ▪ 10-31 кг

mр = 1,6726 ▪ 10-27 кг

mп = 1,6749 ▪ 10-27 кг

Масса электрона во много раз меньше масс протона и нейтрона.

Заряд электрона неделимый – элементарный заряд

Заряд протона по модулю равен заряду электрона, но противоположен по знаку:

Закрепление

Вопросы: Когда и кем было обнаружено сложное строение атома?

• Как было сделано это открытие?
• Как устроен атом?
• Чем отличаются друг от друга элементарные частицы, входящие в состав атома?
• Какие частицы образуют ядро атома?
• Чем отличаются атомы разных химических элементов?

Домашнее задание

§ 21, ответить на вопросы устно.

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА 2 УРОКА ФИЗИКИ

Ученика 9-А класса Новосёлова Ильи.

Тема урока: Линейчатые оптические спектры. Поглощение и испускание света атомами. Лабораторная работа № 5. «Наблюдение линейчатого спектра излучения».

Содержание урока: Оптические спектры. Линейчатые оптические спектры. Поглощение и испускание света атомами. Квантовые постулаты Бора. Наблюдение линейчатого спектра излучения.Спектрограф. Кванты. Фотоны.

Изучение нового материала

В 1859 году немецкие физик Густав Кирхгоф и химик Роберт Бунзен экспериментально установили правило о том, что атомы определенного сорта характеризуются определенной совокупностью спектральных линий (линейчатый спектр атома неповторимо индивидуален). Это правило послужило основанием для развития спектрального анализа. С помощью спектрального анализа были открыты новые элементы (Кирхгоф и Бунзен открыли рубидий и цезий, позже были открыты таллий, индий, галлий…).

При пропускании солнечного света через призму получался спектр в виде сплошной полосы. В ней представлены все цвета (т. е. волны всех частот от 4,0•1014 до 8,0•1014 Гц), плавно переходящие один в другой. Такой спектр называется сплошным или непрерывным.

Сплошной спектр характерен для твёрдых и жидких излучающих тел, имеющих температуру порядка нескольких тысяч градусов Цельсия. Сплошной спектр дают также светящиеся газы и пары, если они находятся под очень высоким давлением (т. е. если силы взаимодействия между их молекулами достаточно велики).

Например, сплошной спектр можно увидеть, если направить спектроскоп на свет от раскалённой нити электрической лампы (tнити ≈ 2300 °С), светящуюся поверхность расплавленного металла, пламя свечи. В этом случае свет излучается мельчайшими раскалёнными твёрдыми частицами (каждая из которых состоит из огромного числа взаимодействующих между собой атомов).

Например, если внести в пламя спиртовки кусочек поваренной соли, то пламя окрасится в жёлтый цвет, а в спектре, наблюдаемом с помощью спектроскопа, будут видны две близко расположенные жёлтые линии, характерные для спектра паров натрия. 

Такие спектры называются линейчатыми. Линейчатые спектры получают от газов и паров малой плотности, при которой свет излучается изолированными атомами.

Сплошные и линейчатые — называются спектрами испускания.

Кроме спектров испускания существуют так называемые спектры поглощения. Из всех спектров поглощения будем рассматривать только линейчатые.

Линейчатые спектры поглощения дают газы малой плотности, состоящие из изолированных атомов, когда сквозь них проходит свет от яркого и более горячего (по сравнению с температурой самих газов) источника, дающего непрерывный спектр.

Линейчатый спектр поглощения можно получить, например, если пропустить свет от лампы накаливания через сосуд с парами натрия, температура которых ниже температуры нити лампы накаливания. В этом случае в сплошном спектре света от лампы появится узкая чёрная линия как раз в том месте, где располагается жёлтая линия в спектре испускания натрия. Это и будет линейчатый спектр поглощения натрия. Другими словами, линии поглощения атомов натрия точно соответствуют его линиям испускания.

Совпадение частот линий испускания и поглощения можно наблюдать и в спектрах других элементов, например водорода и гелия (рис. 154, б, д и в, е).

Общий для всех химических элементов закон, согласно которому

Спектр поглощения данного атома соответствует его спектру излучения,

был открыт в середине XIX в. немецким физиком Густавом Кирхгофом.

Спектр атомов каждого химического элемента уникален. Как не бывает двух людей с одинаковым дактилоскопическим узором или двух китов с одинаковой окраской хвостового плавника, так и не существует двух химических элементов, атомы которых излучали бы одинаковый набор спектральных линий.

Благодаря этому стало возможным появление метода спектрального анализа, разработанного в 1859 г. Кирхгофом и его соотечественником, немецким химиком Р. Бунзеном.

Спектральным анализом называется метод определения химического состава вещества по его линейчатому спектру.

Для получения и исследования спектров используют спектральные аппараты. Наиболее простые спектральные приборы – призма и дифракционная решетка. Более точные – спектроскоп и спектрограф.

Спектроскопом называется прибор, с помощью которого визуально исследуется спектральный состав света, испускаемого некоторым источником.

Если регистрация спектра происходит на фотопластинке, то прибор называется спектрографом.

Призменный спектроскоп состоит из двух труб: коллиматора и зрительной трубы и стеклянной трехгранной призмы. Через щель коллиматора, пройдя собирающую линзу Л1, свет попадает параллельным пучком на призму. Линза Л2 фокусирует параллельные пучки лучей на экране. Каждому узкому спектральному интервалу соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр.

В настоящее время существуют таблицы спектров всех химических элементов. Отыскав в таблице точно такие же спектры, какие были получены при анализе исследуемого образца, узнают, какие химические элементы входят в его состав. Путём сравнения интенсивности линий определяют количество каждого элемента в образце.

Спектральный анализ отличается от химического анализа своей простотой, высокой чувствительностью (например, с его помощью можно обнаружить наличие химического элемента, масса которого в данном образце не превышает 10-10 г), а также возможностью определять химический состав отдалённых тел, например звёзд.

Он используется для контроля состава вещества в металлургии, машиностроении и атомной индустрии. Этот метод применяется также в геологии, археологии, криминалистике и многих других сферах деятельности. В астрономии методом спектрального анализа определяют химический состав атмосфер планет и звёзд, температуру звёзд и магнитную индукцию их полей. По смещению спектральных линий в спектрах галактик была определена их скорость, и на основании этого сделан вывод о расширении нашей Вселенной.

В процессе изучения и применения линейчатых спектров возникли различные вопросы. Как, например, объяснить, почему атомы каждого химического элемента имеют свой строго индивидуальный набор спектральных линий? Почему совпадают линии излучения и поглощения в спектре данного элемента? Чем обусловлены различия в спектрах атомов разных элементов?

Ответы на эти и многие другие вопросы удалось найти только в начале XX в. благодаря возникновению новой физической теории – квантовой механики.

Атом вещества излучает и поглощает энергию порциями – квантами – гипотеза Макса Планка, 1900 г.  Энергия кванта связана с частотой излучения прямо пропорциональной зависимостью:

Е = hν – энергия кванта, где h  = 6,626176 ∙ 10- 34 Дж ∙ с – постоянная Планка.

Квант видимого света – фотон – Альберт Эйнштейн, 1905 г.

Один из основоположников квантовой теории был датский физик Нильс Бор.

Нильс Бор (1885 – 1962). Датский физик-теоретик, общественный деятель, один из создателей современной физики. Бор пришёл к заключению, что свет излучается атомами вещества. Создал теорию водородоподобного атома, основанную на двух постулатах, сформулированных в 1913 г.:

1. Атом может находиться только в особых, стационарных состояниях. Каждому состоянию соответствует определённое значение энергии – энергетический уровень. Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает и не поглощает

Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Номера стационарных орбит и энергетических уровней (начиная с первого) в общем случае обозначаются латинскими буквами: п, k и т. д. Радиусы орбит, как и энергии стационарных состояний, могут принимать не любые, а определённые дискретные значения. Первая орбита расположена ближе всех к ядру.

2. Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ек в стационарное состояние с меньшей энергией Еn.

Согласно закону сохранения энергии, энергия излучённого фотона равна разности энергий стационарных состояний: hν = Ek – En.

Из этого уравнения следует, что атом может излучать свет только с частотами

Атом может также поглощать фотоны. При поглощении фотона атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией.

Состояние атома, в котором все электроны находятся на стационарных орбитах с наименьшей возможной энергией, называется основным. Все другие состояния атома называются возбуждёнными.

У атомов каждого химического элемента имеется свой характерный набор энергетических уровней. Поэтому переходу с более высокого энергетического уровня на более низкий будут соответствовать характерные линии в спектре испускания, отличные от линий в спектре другого элемента.

Совпадение линий излучения и поглощения в спектрах атомов данного химического элемента объясняется тем, что частоты волн, соответствующих этим линиям в спектре, определяются одними и теми же энергетическими уровнями. Поэтому атомы могут поглощать свет только тех частот, которые они способны излучать.

Выполнить лабораторную работу теоретически, используя рис. 22.1 на стр.100.

Лабораторная работа № 5

тема: Наблюдение линейчатого спектра излучения.

цель: Изучить, на основе наблюдений, особенности линейчатых спектров излучения некоторых веществ.

оборудование: Спектроскоп, электрическая лампа на подставке, спектральные трубки с гелием, неоном; прибор для зажигания спектральных трубок; цветные карандаши.

Ход работы 

1. Направить спектроскоп на свет электрической лампы. Зарисовать наблюдаемый сплошной спектр.
2. Наблюдать линейчатые спектры излучения спектральных трубок с гелием, неоном. Зарисовать наблюдаемые линейчатые спектры.
3. Сделать вывод.

Контрольные вопросы:

1. Какие вещества дают сплошной спектр?
2. Какие вещества дают линейчатый спектр?
3. Чем отличаются линейчатые спектры различных газов и паров?

Закрепление

Вопросы: Расскажите об устройстве спектрографа.

• Чем спектрограф отличается от спектроскопа?
• Как выглядит сплошной спектр? Какие тела дают сплошной спектр? Приведите примеры.
• Как выглядят линейчатые спектры? От каких источников света получаются линейчатые спектры?
• Каким образом можно получить линейчатый спектр испускания натрия?
• Опишите механизм получения линейчатых спектров поглощения.
• В чём заключается суть закона Кирхгофа, касающегося линейчатых спектров испускания и поглощения?
• Что такое спектральный анализ и как он проводится?
• Расскажите о применении спектрального анализа.
• Сформулируйте постулаты Бора.
• Запишите уравнения для определения энергии и частоты излучённого фотона.
• Какое состояние атома называют основным; возбуждённым?
• Как объясняется совпадение линий в спектрах испускания и поглощения данного химического элемента?

Тест:

 1. В состав ядра атома входят следующие частицы:

А) только протоны;

Б) протоны и электроны;  

В) нейтроны и протоны;

Г) нейтроны и электроны.

2. Что такое α – излучение?

А) поток положительных ядер атома гелия;                 

Б) поток электронов;

В) поток нейтральных частиц;                                 

Г) поток электромагнитного излучения.

3. Современная модель структуры атома обоснована опытами:

А) по рассеянию α- частиц;                                 

Б) по сжимаемости жидкости;

В) по электризации;                                         

Г) по тепловому расширению.

4. Кто предложил планетарную модель строения атома?

А) Эрстед;            

Б) Томсон;                        

В) Планк;                      

Г) Резерфорд.

5. С помощью опытов Резерфорд установил, что:

А) положительный заряд распределен равномерно по всему объему атома;

Б) положительный заряд сосредоточен в центре атома и имеет малый объем;

В) в состав атома входят электроны;                  

Г) атом не имеет внутренней структуры.

Домашнее задание

§ 22, ответить на вопросы устно, изучить пункт «Подтверждение квантовых постулатов Бора».

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА 3  УРОКА ФИЗИКИ

Ученика 9-А класса Новосёлова Ильи.

Тема урока: Состав атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи ядра.

Содержание урока: Состав атомного ядра. Ядерные силы. Нуклоны.  Дефект массы. Энергия связи атомных ядер. Изотопы.

Изучение нового материала

Удивительная история случилась в самом начале ХХ века. Именно тогда были открыты  две важнейшие частицы, из которых состоят все ядра химических элементов – протон и нейтрон.

 Открытие протона

Протон был открыт в 1919 г. Э. Резерфордом. В 1911 г. состоялся опыт Резерфорда по определению строения атома. А в 1913 г., т.е. через 2 года после своего знаменитого эксперимента, Резерфорд выдвинул очень важную идею. Он предложил считать, что в состав любого ядра, т.е. всех химических элементов, в ядре любого химического элемента находится водород. На чем основывались его такие размышления?

Уже был определены характеристики ядер водорода. Была известна масса, был известен заряд ядра водорода. Оказалось, что массы химических элементов делятся на массу водорода без остатка. Таким образом, Резерфорд сделал заявление, что, по всей вероятности, внутри любого ядра находится то или иное количество атомов водорода.

Эксперимент, подтверждающий эту теорию, состоялся в 1919 г. Резерфорд направил α-частицы на ядра азота. В результате этого были получены два химических элемента. Один из них – кислород, а второй, по всей вероятности, являлся водородом.  

Эту частицу, ядро водорода, он назвал протоном (от греч. «протос» – «первый»). Когда этот эксперимент повторили, но уже в камере Вильсона, причем эта камера находилась в магнитном поле, то уже не было никаких сомнений: открыта новая частица – протон. Итак, протон является ядром атома водорода. Давайте посмотрим на эту первую искусственную ядерную реакцию. 14 7N+4 2He→17 8 О+1 1H.

Азот, порядковый номер 7 и массовое число 14, обстреливался α-частицами. Мы знаем, что α-частицы – это ядра атома гелия с порядковым номером 2 и с массовым числом 4. В результате такой реакции образовались два новых ядра. Два совершенно новых элемента.

Первое ядро – это ядро, соответствующее атому кислорода, с порядковым номером 8 и массовым числом 17. И та частица, ядро атома водорода, которое можно назвать протоном.

Итак, ядро атома водорода и протон – это одно и то же, были открыты в 1919 г. по сути своей в опытах Резерфорда.

тр = 1,672 621 898(21)·10−27 кг = 1,007 276 466 879(91) а. е. м.

qр = 1,6 ▪ 10−19 Кл

 Открытие нейтрона

Ученику Резерфорда удалось в 1932 г. открыть нейтрон. Обнаружить нейтрон было гораздо сложнее, ведь нейтрон – электрически нейтральная частица.

После открытия Резерфордом протона, многие ученые направили свои помыслы и силы на то, чтобы провести ядерные реакции, искусственные ядерные реакции. При помощи α-лучей стали облучать многие элементы, наблюдая за реакцией. Вот и немецкие ученые, Боте и Беккер, в 1930 г., облучая бериллий, получили неизвестное излучение. Вначале это излучение решили отождествить с g-лучами. Они распространялись вдоль прямой, не отклонялись в электрическом и магнитном полях, обладали большой энергией и высокой проникающей способностью.

В дальнейшем при изучении других реакций стало ясно, что такие же лучи образуются, когда a-лучами обстреливают бор и некоторые другие химические элементы. Сравнивая химические элементы, полученные в результате такого рода реакций, поняли, что данные лучи не являются никакими лучами (g-лучами уж точно не являются, поскольку обладают более высокой проникающей способностью энергией по сравнению с g-лучами).

В 1932 г. Чедвик предположил, что это какая-то новая частица, которая не обладает электрическим зарядом. Именно этим объясняются все ее свойства: она хорошо проникает через преграды, потому что не взаимодействует с ядрами. Такую новую частицу назвали нейтрон (т.к. он электрически нейтрален).

10п  Поскольку у нейтрона нет заряда, то 0 ставится внизу, где пишется зарядовое число, а вот массовое число у него равно 1. Масса нейтрона почти равна, но чуть больше массы протона. Поэтому тоже было решено ставить в массовом обозначении число, равное 1.

тп = 1,674 927 471(21)·10−27 кг = 1,008 664 915 88(49) а. е. м.

После этих открыти1 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.

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. 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:

Заряд ядра: qя = Z. |e|, где е – заряд электрона; Z – число протонов в ядре, зарядовое число, порядковый номер в таблице Менделеева.

Уравнение Иваненко - Гейзенберга:

А = Z + N, где А – массовое число, Z – порядковый номер элемента, N – число нейтронов в ядре.

Массовое число А показывает, какое количество нуклонов входит в ядро. Определяя массовое число химического элемента, мы определяем число нуклонов в ядре атома.

В 1913 году ученый Содди (работал вместе с Резерфордом) установил, 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.

Практически все элементы химические имеют изотопы.

Например, водород имеет три изотопа: 11Н — протий (в ядре только один протон), 21Н — дейтерий (в ядре — протон и нейтрон), 31Н — тритий (в ядре — протон и два нейтрона).

Уран: 23592U, 23892U.

Порядковый номер ставится внизу, Z, а сверху пишется массовое число – это число А. А ZХ.

Как э нуклоны удерживаются внутри ядра. Размеры ядра очень и очень малы, в нем бывает собрано большое количество частиц нуклонов. За счет электростатического отталкивания эти частицы должны очень быстро распадаться, разлетаться. 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.

Ядерные силы должны превосходить силы электростатического отталкивания. Они в 100 раз превосходят силы электростатического отталкивания.

Действуют ядерные силы на малом расстоянии. Например, 10-15м – 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.

Ядерные силы не центральны, т.е. они не действуют вдоль прямой, соединяющей эти частицы.

Ядерные силы не зависят от того, обладает частица зарядом или не обладает, потому что в ядро входят и протоны, и нейтроны.

Ядерные силы являются самыми мощными. Воздействие данных сил, принято называть сильным взаимодействием.

Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую необходимо совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны.

Масса ядра и сумма масс нуклонов, которые в него входят, оказывается различной. Причем масса ядра всегда меньше суммы масс нуклонов.

Одно из основных положений специальной теории относительности, которая была в свое время разработана выдающимся ученым Альбертом Эйнштейном, гласит, что между энергией и массой вещества существует определенная взаимосвязь. Причем как масса может переходить в энергию, так и наоборот. Часть масс нуклонов переходит в энергию связи ядра.

Формула соотношения между массою покоя тела и его энергией покоя: Е = mс2, где с = 3▪ 108 м/с – скорость света в вакууме.

Взаимосвязь изменения энергии, то есть работы, которую необходимо для этого совершить, и изменения массы тела. ΔЕ = Δmс2 , где Δm – дефект масс ядра.

Есв = Δmс2 – энергия связи ядра атома.

Δm = (Z▪ тр + N ▪ тп – тя) , где Z – количество протонов в ядре; N – количество нейтронов; тр – масса покоя протона  ; тп – масса покоя нейтрона ; тя – масса ядра.

Чтобы можно было более подробно оценить значение энергии связи ядра, приведем следующий пример: оказывается, что для образования всего лишь 4 грамм гелия потребуется энергия эквивалентная сгоранию полутора-двух вагонов каменного угля. Отметим следующий факт: чем больше протонов находится в ядре, тем больше их кулоновское отталкивание. Соответственно, для стабилизации тяжелых ядер элементов необходимо большое количество нейтронов, чтобы они самопроизвольно не распадались. Оказывается, что последним стабильным ядром с максимальным количеством протонов является свинец. Для характеристики прочности ядер удобна такая величина, как удельная энергия связи, которая показывает, какая энергия приходится на один нуклон: , где A – нуклонное число. Исходя из значений удельной энергии связи, можно делать выводы о склонности одних элементов обладать свойствами радиоактивности, а других – нет. Что же касается энергии связи ядра, то она позволяет характеризовать энергию, которая выделяется в процессе радиоактивного распада.

Закрепление

Вопросы: Определите нуклонный состав ядер железа 5426 Fe  (количество нуклонов, протонов, нейтронов).

• В ядре атома химического элемента 22 протона и 26 нейтронов. Назовите этот химический элемент.
• 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▪м2)/кг2.

Задача: Найдите энергию связи ядра лития  , если его масса равна 6,01513 а.е.м.

Решение: известные величины:

Найти нужно энергию связи ядра Есв.

Запишем формулу для вычисления энергии связи: Есв = Δmс2.

Также нам нужна формула для дефекта масс:  Δm = (Z▪ тр + N ▪ тп – тя).

Количество протонов в ядре равно порядкового номеру лития, который указан в нижней линии его записи, то есть .Количество нейтронов находим по формуле , где  – нуклонное число (верхний индекс записи), тогда .

Теперь вычислим дефект масс и переведем его в кг:

Для подсчета ответа в таких задачах нужна точность. Теперь подставим это значение в формулу для энергии связи ядра:

Ответ: 

Вычисление энергии связи в МэВ

Поскольку энергии микромира крайне малы по сравнению с энергиями, которые мы используем в повседневной жизни, использовать для них системную единицу [Дж] крайне неудобно. Специально для этого была введена такая величина, как электронвольт.

Один электронвольт равен работе, которую должно совершить поле при перемещении элементарного заряда между разностью потенциалов 1 В.

Величина 1 электронвольта равна значению элементарного заряда в джоулях: 1эВ = 1,6 ▪10−19 Дж.

Значение энергии связи таковы, что для их вычисления удобно использовать именно миллионы электронвольт, то есть мегаэлектронвольты. Кроме того, использовать измерение масс микрочастиц в кг неудобно из-за их крайней малости, поэтому мы будем пользоваться а.е.м. Исходя из этого существует формула расчета энергии связи, где мы получаем результат сразу в МэВ, а все массы подставляем в а.е.м.

Для начала мы пишем стандартную формулу энергии связи ядра, которая равна:

После этого мы запланировали переводить результат в эВ, для этого нам необходимо разделить полученное выражение на заряд электрона, то есть

Так как мы запланировали указать результат в МэВ, то нужно выделить степень :

Таким образом, энергию связи можно представить в следующем виде: .

 Домашнее задание

§ 23, ответить на вопросы устно, решить задачи 23.2 - 23.5.

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА  4 УРОКА ФИЗИКИ

Ученика 9-__ класса _________.

Тема урока: Радиоактивность. Экспериментальные методы регистрации заряженных частиц.

Содержание урока: Радиоактивность. Альфа-, бета- и гамма-излучения. Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Радиоактивные изотопы в природе. Экспериментальные методы регистрации заряженных частиц. Фотоэмульсии. Камера Вильсона. Счетчик Гейгера – Мюллера. Сцинтилляционный метод.

Изучение нового материала

В конце девятнадцатого века появились факты, свидетельствующие, что атом имеет сложное строение. Особенно это стало очевидно после того, как французский ученый Анри Беккерель в 1896 г. обнаружил, что соли урана являются источником неизвестного в то время излучения. Испробовав различные химические соединения урана, он установил, что соли урана испускают невидимые лучи, которые сильно ионизируют воздух, действуют на фотопластинку, проникают через бумагу, картон и даже металл и вызывают некоторые другие явления.

В 1898 г. ученые Пьер Кюри и Мария Кюри-Склодовская открыли два новых химических элемента (радий и полоний), у которых излучение, аналогичное излучению урана, было значительно более сильным.

Радиоактивность – способность атомов химических элементов к самопроизвольному излучению.

Химические элементы, обладающие радиоактивностью, называются радиоактивными элементами.

В 1899 г. Резерфорд, изучая ионизирующую способность радиоактивного излучения, обнаружил, что оно неоднородно и состоит из двух частей, которые он назвал α- и β-лучами. Ему удалось доказать, что α-лучи являются потоком ядер атомов гелия. В том же году А. Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов.

В 1900 г. французский физик П. Виллард установил, что в состав радиоактивного излучения входит и третья составляющая, которую он, назвал  γ-лучами. Изучение  γ-лучей показало, что они представляют собой электромагнитные волны, длина которых меньше, чем у рентгеновских лучей.

Таким образом, было установлено, что радиоактивное излучение состоит из α-, β- и γ-лучей.

В 1903 г. Э. Резерфорд и его сотрудник Ф. Содди указали на то, что явление радиоактивности сопровождается превращением одного химического элемента в другой, например радия в радон.

α-распад. Превращения атомных ядер, которые сопровождаются испусканием α-частиц называются α-распадом.

Схема α-распада:                       А ZХ → А-4 Z-2Y + 4 2He.

Альфа-распад уменьшает массовое число на 4, а зарядовое число на 2, т. е. перемещает элемент на две клетки к началу периодической системы.

Например 226 88Rd → 222 86 Rn + 4 2He.

β-распад. Превращения атомных ядер, которые сопровождаются испусканием β-частиц называются β -распадом.

Схема β-распада: А ZХ → А Z+1Y + 0 -1e.

Бета-распад не изменяет массового числа, а зарядовое число увеличивает на 1, т. е. смещает элемент на одну клетку ближе к концу периодической системы.

Например 3 1Н → 3 2Не + 0 -1e.

Процессы α-распада и β-распада являются следствиями двух законов сохранения, выполняющихся при радиоактивных превращениях, – сохранения электрического заряда и массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) продуктов распада равна заряду (массовому числу) исходного ядра.

Ядра, которые возникли в результате радиоактивного распада, в свою очередь, также радиоактивные. Так возникает цепочка радиоактивных превращений, и ядра, связанные с этой цепочкой, образуют радиоактивный ряд или радиоактивное семейство. В природе существуют три радиоактивных семейства: семейство урана 28892U; семейство тория 232 90Th и семейство актиния 235 89Ас.

Семейство урана заканчивается свинцом 206 82Pb; тория — 208 82Рb; актиния — 207 82Pb. Измерив количество свинца в урановой руде, можно определить возраст этой руды.

Резерфорд, исследуя превращения радиоактивных веществ, установил опытным путем, что их активность убывает с течением времени. Так, активность радона убывает в два раза уже через 1 мин.

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.

Например, для ядра 226 88Ra период полураспада около 1600 лет. Следовательно, если взять 1 г радия, то через 1600 лет его будет 0,5 г, а через 3200 лет – 0,25 г. Таким образом, исходное количество радия должно обратиться в нуль спустя бесконечный промежуток времени.

Закон радиоактивного распада. Пусть число радиоактивных атомов в начальный момент времени (t =0) равно No . Через время t1=Т число нераспавшихся ядер равно N1= No/2, через t2 = 2Т останется No/22, через t3 = 3Т таких ядер окажется 1/2∙No/22= No/23 и т.д. следовательно в конце промежутка времени t=nT нераспавшихся ядер останется No/2n. Так как n=t/T, то закон радиоактивного распада принимает вид: N=N0∙2-t/T.

По этой формуле находят число нераспавшихся атомов в любой момент времени. Период полураспада – постоянная величина, которая не может быть изменена такими доступными воздействиями, как охлаждение, нагрев, давление и т. д. Для урана период полураспада равен 4,5 млрд. лет, для радия – 1590 лет, для радона – 3,825 суток.

Закон распада атомов не является законом, который управляет распадом одного атома, так как нельзя предугадать, когда произойдет этот распад.

Распад атома не зависит от его возраста, т.е. атомы «не стареют». Распад любого атомного ядра – это, так сказать, не «смерть от старости», а «несчастный случай» в его жизни.

Реальная перспектива использования человеком огромных энергий, скрытых в недрах атома, появилась впервые в 1939 году. Вовремя обнаружить радиоактивное заражение помогают специальные приборы. Конечно, увидеть, услышать или «поймать» радиоактивную частицу мы не в состоянии. Но в приборах используются свойства радиоактивных излучений — давать различные эффекты при прохождении через вещество. Например, под воздействием радиоактивных излучений некоторые вещества начинают светиться, ряд растворов изменяет свою окраску, а фотографические пластинки засвечиваются. Наиболее распространен метод обнаружения радиоактивных излучений по их способности ионизировать различные газы. Мы с вами рассмотрим устройство и принцип работы приборов, регистрирующих излучение.

Счетчик Гейгера – служит  для подсчета количества  радиоактивных  частиц (в основном электронов). 1908г. Счётчик Гейгера-Мюллера.

Это стеклянная трубка, заполненная газом (аргоном),  с двумя электродами внутри (катод и анод). При пролете частицы возникает ударная ионизация газа и возникает импульс  электрического тока.

Достоинства: - компактность;

- эффективность;

- быстродействие;

- высокая точность (10 000 частиц/с).

Где используется:

- регистрация радиоактивных загрязнений на местности, в помещениях, одежды, продуктов и т.д.

- на объектах хранения радиоактивных материалов или с работающими ядерными реакторами;

- при поиске залежей радиоактивной руды (U, Th)

Камера Вильсона – служит  для наблюдения и фотографирования следов от пролета частиц (треков). 1912г.

Внутренний объем камеры заполнен парами спирта или воды в перенасыщенном состоянии: при опускании поршня уменьшается давление внутри камеры и понижается температура, в результате адиабатного процесса образуется перенасыщенный пар.

По следу пролета частицы конденсируются  капельки влаги и образуется трек – видимый след.

При помещении камеры в магнитное поле  по треку можно определить   энергию, скорость, массу и заряд частицы.

По длине и толщине трека, по его искривлению в магнитном поле определяют характеристики пролетевшей радиоактивной частицы.

Например, альфа-частица дает сплошной толстый трек, протон – тонкий трек, электрон – пунктирный трек.

Пузырьковая камера – вариант камеры Вильсона.1952г. Пузырьковая камера (А.Глейзер, США)

При резком понижении поршня жидкость, находящаяся под высоким давление, переходит в перегретое состояние. При быстром движении частицы  по следу образуются пузырьки пара, т.е. жидкость закипает, виден трек.

Преимущества перед камерой Вильсона:

- большая плотность среды, следовательно короткие треки

- частицы застревают в камере и можно проводить дальнейшее наблюдение частиц 

- большее быстродействие.

Метод толстослойных фотоэмульсий – служит для регистрации частиц;

- позволяет регистрировать редкие явления из-за большого время экспозиции.

1928г. Л.В. Мысовский, А.Д.Жданов

 Фотоэмульсия содержит большое количество микрокристаллов бромида серебра. 
Влетающие частицы ионизируют поверхность фотоэмульсий. Кристаллики AgВr распадаются под действием заряженных частиц и при проявлении выявляется след от пролета частицы - трек.

По длине и толщине трека можно определить  энергию и массу частиц.

Закрепление

Вопросы: Что происходит с радиоактивными химическими элементами в результате α- или β-распада?

• На примере реакции  α-распада радия объясните, в чем заключаются законы сохранения заряда (зарядового числа) и массового числа.
• Какая часть атома – ядро или электронная оболочка – претерпевает изменения при радиоактивном распаде? Почему вы так думаете?

Задача 1: Имеется радиоактивная медь с периодом полураспада 10 мин. Какая часть первоначального количества меди останется через 1 час?

Ответ: 1/64 

Задача 2: Радиоактивный атом тория 23290Th  превратился в атом висмута 21283 Bi . Сколько произошло радиоактивных α- и β-распадов в ходе этого превращения?

Решение: запишем одновременно правила смещения для α- и β-распадов.

Предположим, α-распадов произошло n, а β-распадов – m, т. е. вылетело n ядер гелия и m быстрых электронов: 23290Th→n 42He + m 0-1e + 21283 Bi.

Учитывая закон сохранения верхних и нижних индексов, можем записать систему уравнений:

;      =>     =>  .

23290Th→5 42He + 3 0-1e + 21283 Bi.

Ответ: произошло 5α-распадов и 3 β-распада.

Составить тексты из фраз А, Б, В.

А. 1. Действие счётчика Гейгера …

     2. Действие камеры Вильсона…

     3. Действие пузырьковой камеры…

     4. Метод фотоэмульсий …

Б. основан(о) на…..

1. расщеплении  молекул бромистого серебра движущейся  заряженной частицы

2. возникновении пара на ионах, образующихся при движении быстрой заряженной частицы в перегретой жидкости

3.ударной ионизации атомов газа заряженной частицей при её движении в промежутке между  катодом и анодом

4.конденсации перенасыщенного пара на ионах, образующихся вдоль траектории заряженной  частицы. 

В. Он (а) используется для регистрации….

1. преимущественно электронов и γ-квантов при сравнительно небольшом потоке частиц,  причём фиксируется лишь сам факт прохождения частиц.

2. превращения частиц и вызываемых ими реакций; фиксируются даже очень быстрые  длиннопробежные частицы, застревающие в устройстве благодаря большой плотности     рабочего вещества.

3. реакция между частицами и ядрами и позволяет наблюдать очень редкие явления благодаря      высокой тормозящей способности рабочего вещества и его непрерывному суммирующему   действию.

4. как факта прохождения частицы, так и определения её энергии (по длине трека), скорости(по  толщине трека) и заряда (в магнитном поле).

Домашнее задание

§ 24, 25, ответить на вопросы устно, решить задачи 24.1, 23.2.

Изучить пункт «Радиоактивные изотопы в природе».

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА 5 УРОКА ФИЗИКИ

Ученика 9-__ класса __________.

Тема урока: Ядерные реакции. Ядерная энергетика. Дозиметрия.

Содержание урока: Ядерные реакции. 

Самостоятельно: Ядерная энергетика. Ядерный реактор. Термоядерный синтез. Атомная бомба. Дозиметрия. Доза излучения. Ее измерение. Термоядерная бомба. Влияние радиоактивных излучений на живые организмы. Экологические проблемы работы атомных электростанций.

Изучение нового материала

Ядерной реакцией называется процесс взаимодействия ядра с частицей или другими ядрами, сопровождающийся изменением состава и структуры дочернего ядра.

Ядро представляет собой «плотное образование», и когда в него попадает частица, то она «застревает» в нём, причём энергия частицы передаётся не одному, а многим нуклонам. Захват ядром попавшей частицы приводит к образованию промежуточного, так называемого составного ядра. В этом состоит первый этап ядерной реакции. Второй этап ядерной реакции – превращение составного ядра – происходит независимо от захвата падающей частицы. Оба этапа можно изобразить схемой :

Где  – исходное ядро-мишень, α – налетающая частица,  – составное ядро,  – ядро, являющееся продуктом ядерной реакции, b – частица вылетающая из ядра в результате реакции. Возможно протекание реакции и в один этап.

Первую ядерную реакцию осуществил Резерфорд в 1919 году при бомбардировки атома азота α – частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:
147N + 42He → 178O + 11H 

 Ядерная реакция возможна, если одна из частиц обладает высокой скоростью, т.е. обладает большой энергией. Это есть одно из условий протекания ядерной реакции.

Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания. Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией. Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы).

Первая реакция бомбардировки атомов быстрыми заряженными частицами была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:
73Li + 11H → 42He + 42He 

Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов: уран-238 (99,3 %) и уран-235 (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления уран-235 наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра уран-238 вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ.

Благодаря ядерной реакции выделяется громадное количество тепла. (Кусок урана величиной с ладонь содержит больше энергии, чем целый железнодорожный состав каменного угля. Кроме того, АЭС, в отличии от ТЭС, не сжигает атмосферный кислород и не загрязняет атмосферу). Тепло подаётся на паровые турбины, которые вырабатывают ток.

Ядерная реакция может идти двумя способами управляемая и неуправляемая.

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т.е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.

Примеры ядерных реакций.

Закрепление

Вопросы: Что такое ядерная реакция?

• В чем отличие ядерной реакции от химической?
• Почему образовавшиеся ядра гелия разлетаются в противоположные стороны?
  73Li + 11H → 42He + 42He
• Является ли ядерной реакция испускания α-частицы ядром?

Допишите ядерные реакции:

94Be + 11H → 105B + __

147N + __→ 146C + 11p

147N + 42He → __ + 11H

2713Al + 42He → 3015P + __

__ + 42He → 3014Si + 11p

3994Pu + 42He →____ + 10n

21H + γ →11H + ____

___ + 42He→ 105B + 10n

21H + γ→ ___  + 10n

94Be + 42He→ ___  + 10n

2713Al + γ→ 2311Na + ___

4119K + ___  → 4420Ca + 11H

5525Ma + 11H→ 5526Fe + ___

6530Zn + 10n →___  + 42He

147N + 11H→ ___  + 10n

___ + 11H→ 2412Mg  + 42He

Тест:

1. Торий 23290Th, испытав два электронных β – распада и один α – распад, превращается в элемент

1)23694Pu         2) 22890Th         3) 22886        Rn         4) 23486Rn

2. Ядро изотопа урана 23892U после нескольких радиоактивных распадов превратилось в ядро изотопа 23492U. Какие это были распады?

1) Один α и два β                 2) один α и один β         3) два α и один β 4) такое превращение невозможно.

3. Изотоп ксенона 11254Xe после спонтанного α – распада превратился в изотоп

1) 10852Te                 2) 11050Sn         3) 11255Cs         4) 11254Xe

4. Ядро изотопа полония 21684Po образовалось после α – распада из ядра

1) 21480Hq                 2) 21284Pb         3) 22086Rn         4) 21886Rn

Домашнее задание

§ 26 – 28, ответить на вопросы устно, решить задачи 26.1 - 26.4.