Конспект урока Открытие протона и нейтрона. Состав атомного ядра. Ядерные силы
план-конспект урока по физике (9 класс)

Урок 72 Тема урока: п. 55-56 Открытие протона и нейтрона.

 Состав атомного ядра. Ядерные силы

Тип урока: урок изучения нового материала

Цели урока:

Образовательные: познакомить учащихся с историей открытия   протона и нейтрона. Сформировать представление о составе атомного ядра. Изучить характеристики протона и нейтрона. Раскрыть понятие ядерных сил и их особенности.

Развивающие:  Развить навыки анализа экспериментальных данных.

Сформировать умение записывать ядерные реакции. Развить логическое мышление при изучении строения атома.

Воспитательные: Воспитать интерес к истории развития физики.

Сформировать представление о значимости научных открытий. Развить научное мировоззрение

Задачи урока: Изучить экспериментальные методы открытия протона и нейтрона. Освоить основные характеристики протона и нейтрона. Понять принципы протонно-нейтронной модели ядра. Изучить особенности ядерных сил. Научиться определять состав атомного ядра.

ядра. Познакомить учащихся с открытием протона, нейтрона, с составом атомного ядра и ядерными силами.

       Структура урока:

1. Орг. момент. Приветствие, проверка подготовленности к учебному занятию, организация внимания детей. Создание благоприятного психологического настроя учащихся на активную работу на уроке.
2. Актуализация знаний

Вопросы:

1. В чём состояло фундаментальное открытие Беккереля и как оно изменило представления о строении атома?

(Открытие Беккереля (1896 г.) — обнаружение самопроизвольного излучения урана.  Терминология: Способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению Мария Кюри назвала радиоактивностью)

2. Какие компоненты включает в себя радиоактивное излучение и каковы их свойства?

(Состав излучения: α-частицы — положительно заряженные (ядра гелия), β-частицы — отрицательно заряженные (электроны), γ-излучение — нейтральные кванты. Явление радиоактивности свидетельствует о том, что атом не является неделимым и неизменным. Оно доказывает, что атомное ядро может спонтанно распадаться, превращаясь в ядро другого элемента с испусканием частиц и энергии).

3. Что происходит при α-распаде и как это отражается на строении атома?

(При α-распаде радия ядро теряет α-частицу (ядро гелия), в результате чего образуется новый химический элемент, смещённый на две клетки к началу периодической системы Менделеева.  При радиоактивном распаде изменения претерпевает ядро атома, а не электронная оболочка. Именно ядро подвергается трансформации, что приводит к образованию нового элемента. Реакция α-распада радия может быть записана так:  22688Ra→22285Rn+ 42He

где: ​Ra — радий (материнское ядро с массовым числом 226 и зарядовым числом 88); ​Rn — радон (дочернее ядро с массовым числом 222 и зарядовым числом 86); ​He — α-частица (ядро гелия с массовым числом 4 и зарядовым числом 2). Верхнее число перед буквенным обозначением элемента — это массовое число (общее количество нуклонов — протонов и нейтронов в ядре). Нижнее число — это зарядовое число (количество протонов в ядре).  Массовое число — это сумма числа протонов и нейтронов в ядре атома.

4. Какие законы сохранения действуют при радиоактивном распаде?

(В реакции α-распада радия закон сохранения массового числа проявляется в том, что сумма массовых чисел до и после распада сохраняется: 226=222+4. Закон сохранения зарядового числа означает, что алгебраическая сумма зарядовых чисел до и после распада также сохраняется: 88=86+2.

5. Как работают современные приборы для обнаружения радиоактивного излучения? (Газоразрядный счётчик Гейгера работает на принципе ионизации газа под действием радиоактивных частиц. Когда частица попадает в счётчик, она ионизирует атомы газа, что приводит к возникновению электрического разряда между анодом и катодом. Этот разряд регистрируется как импульс, который подсчитывается. Счётчик Гейгера регистрирует все три вида излучения (α-, β- и γ-лучи), но наиболее чувствителен к β- и γ-излучению. α-частицы из-за низкой проникающей способности часто не достигают чувствительного объёма счётчика, если он не специально адаптирован для их регистрации).

3. Изучение нового материала

Открытие протона: Опыт Резерфорда и открытие радиоактивности свидетельствуют о сложном строении атома.  В 1913 г. Э. Резерфорд выдвинул гипотезу, что одной из частиц, входящих в ядро атома любого химического элемента, должно быть ядро атома водорода, т.к. было известно, что массы атомов химических элементов превышают массу атома водорода в целое число раз.

В 1919 году Резерфорд поставил опыт по исследованию взаимодействия альфа-частиц с ядрами атома азота. В результате взаимодействия из ядра атома азота вылетала частица, которую Резерфорд назвал протоном   и предположил, что это ядро атома водорода.

При бомбардировке бериллия α-частицами обнаруживалось какое-то сильно проникающее излучение, способное преодолеть такую преграду, как свинцовая пластина в 10-20 см толщиной.

(Слайд 10-11) Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио-Кюри предложили, что излучение бериллия выбивает из парафиновой пластины протоны. Они с помощью камеры Вильсона обнаружили эти протоны и по длине пробега оценили их энергию

Условное обозначение протона:  Протон (p) — частица, имеющая заряд +1 и относительную массу, равную 1, масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Протон — это ядро атома водорода. Обозначение: в виде атомного символа: 1 1​H (водород с одним протоном и без нейтронов); в виде элементарной частицы:  1 1​p. Ключевые характеристики:        

Заряд: положительный, равен элементарному электрическому заряду: qр=eˉ=1,6⋅10 -19 Кл (Кулон — единица измерения электрического заряда).

Масса покоя: m р=1,6726⋅10 -27 кг (это очень малая масса, характерная для элементарных частиц).

Особенности: Протон является одной из основных составляющих атомного ядра (наряду с нейтронами). Участвует в ядерных реакциях и взаимодействиях. Определяет заряд ядра и порядковый номер элемента в таблице Менделеева (число протонов в ядре равно номеру элемента). Стабилен — не распадается самопроизвольно.

(Слайд 11) В результате исследования взаимодействия α- частиц с ядрами других элементов выяснилось, что протоны входят в состав ядер атомов всех химических элементов.

(Слайд13) Открытие протона не давало полного ответа на вопрос о том, из каких частиц состоят ядра атомов. После того, как ученым удалось взвесить атом, оказалось, что все ядра, кроме водорода, весили больше, чем должны были быть. Например, гелий, с двумя протонами, должен был весить как два ядра водорода, а весил в два раза больше. Значит, в ядре есть еще какие-то частицы.

В 1920 г. Резерфорд высказал предположение, что должна существовать частица массой, равной массе протона, но не имеющая электрического заряда. Однако, обнаружить такую частицу Резерфорду не удалось.

(Слайд 14) Открытие этой частицы было сделано в 1932 году английским ученым Джеймс Чедвиком. Эту частицу он назвал нейтроном. При прохождении через вещество нейтроны не теряют энергию на ионизацию атомов вещества, поэтому имеют огромную проникающую способность.

Нейтрон (n) - частица без заряда с относительной массой 1, масса нейтрона в 1840 раз больше массы электрона, масса нейтрона больше массы протона примерно на 2,5 массы электрона.

Характерное время жизни свободного нейтрона около 15 минут Свободный нейтрон живет в среднем 15 минут, распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино - частицу, не имеющую ни заряда, ни массы. 

Особенности нейтрона:

не ионизирует воздух: в отличие от заряженных частиц (например, альфа- и бета-излучения), нейтрон не взаимодействует с электронными оболочками атомов воздуха, не создавая ионов.

большая проникающая способность: из-за отсутствия заряда нейтрон легко проникает через вещества, слабо взаимодействуя с атомными ядрами. Это делает его особенно опасным и важным с точки зрения радиационной безопасности и ядерных технологий.

Роль нейтрона в ядерных реакциях («могучее оружие») Нейтроны играют ключевую роль в ядерных реакциях, так как способны:

- инициировать деление тяжёлых ядер (например, урана-235 и плутония-239), что лежит в основе работы ядерных реакторов и ядерного оружия;

-вызывать трансмутацию элементов (превращение одного химического элемента в другой);

- участвовать в цепных реакциях, где продукты одной реакции (нейтроны) становятся инициаторами следующих.            

Пример ядерной реакции с нейтроном: ¹⁴₇N + ¹₀n → ¹¹₅B + ⁴₂He, где  ¹⁴₇N — ядро азота (мишень); ¹₀n — нейтрон (вызывающий реакцию);¹¹₅B — ядро бора (один из продуктов); ⁴₂He — альфа-частица (второй продукт реакции).

Таким образом, атом можно представить:

(Слайд 18-19) В 1932 году Дмитрий Дмитриевич Иваненко (советский физик) и Вернер Гейзенберг (немецкий физик, один из основоположников квантовой механики) независимо друг от друга предложили революционную модель строения атомного ядра — протонно-нейтронную модель.

Предпосылки открытия: До 1932 года господствовала устаревшая модель, согласно которой ядро состояло только из протонов и электронов. Однако эта модель не могла объяснить: стабильность ядер (электроны в ядре должны были быстро испускаться); разницу между атомным номером (число протонов) и атомной массой (которая больше); существование изотопов (атомов одного элемента с разной массой).

Ключевым событием стало открытие нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году — нейтральной частицы с массой, близкой к массе протона. Это открытие легло в основу новой модели.

Суть протонно-нейтронной модели: согласно модели, атомное ядро состоит из двух типов нуклонов:                                                                                                                          Протоны (p⁺) — положительно заряженные частицы, определяющие:                                        заряд ядра; место элемента в таблице Менделеева (порядковый номер = число протонов); химические свойства элемента.                                Нейтроны (n⁰) — нейтральные частицы, отвечающие за: стабильность ядра (нейтроны «склеивают» протоны, компенсируя электростатическое отталкивание); массу ядра (вместе с протонами формируют атомную массу); существование изотопов (разное число нейтронов у одного элемента).  

Электроны не входят в состав ядра! Они образуют электронную оболочку вокруг ядра.                                                                                           Структура атома по модели: На схеме показано:                                             Ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов.     Протоны (красные/серые шарики в ядре) — несут положительный заряд.   Нейтроны (серые шарики в ядре) — нейтральны, но важны для стабильности.                                                                                                                        Электроны (голубые шарики на орбитах) — движутся вокруг ядра, образуя электронную оболочку.                                                                                         (Слайд 22) Изотопы: атомы одного элемента (одинаковое Z), но с разным числом нейтронов (N). Например, у водорода:
протий (¹H) — 1 протон, 0 нейтронов;
дейтерий (²H) — 1 протон, 1 нейтрон;
тритий (³H) — 1 протон, 2 нейтрона.

Стабильность ядра: баланс между протонами и нейтронами определяет устойчивость ядра. Отклонения от «магических чисел» (определённых соотношений p⁺/n⁰) приводят к радиоактивности.
Значение модели: Протонно-нейтронная модель стала фундаментом для:
развития ядерной физики; объяснения строения всех известных элементов; понимания ядерных реакций (деление, синтез); создания ядерной энергетики и медицины (радиоизотопы, ПЭТ-сканирование); разработки ядерного оружия.

Вывод: протонно-нейтронная модель Иваненко–Гейзенберга окончательно прояснила структуру атомного ядра и стала одной из ключевых теорий в физике XX века.

(Слайд 23)  Определение: Ядерные силы — это силы притяжения между нуклонами (протонами и нейтронами) внутри атомного ядра. Именно они удерживают ядро от распада, несмотря на действие других сил.

В ядре одновременно действуют три типа сил, и не все из них способствуют удержанию ядра:

• Гравитационные силы — очень малы по сравнению с другими взаимодействиями на уровне атомного ядра. Их влияние практически не учитывается.
• Электростатические силы — возникают между протонами (положительно заряженными частицами). Поскольку одноимённые заряды отталкиваются, электростатические силы создают давление «изнутри» ядра, стремясь разорвать его.
• Ядерные силы — компенсируют отталкивание протонов и «склеивают» нуклоны вместе. Они в 100 раз сильнее электростатических сил, что делает их доминирующим взаимодействием в ядре.

Особенности ядерных сил:

• Короткодействующие — действуют только на очень малых расстояниях (порядка 1–2 фемтометров, 10⁻¹⁵ м). Если нуклоны удаляются друг от друга дальше этого предела, силы быстро затухают.
• Независимы от заряда — одинаково действуют как между протоном и нейтроном, так и между двумя протонами или двумя нейтронами.
• Насыщаемы — каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов. Это предотвращает «переполнение» сил и стабилизирует ядро.
• (Обмен мезонами — с точки зрения квантовой механики, ядерные силы обусловлены обменом пи-мезонами (π-мезонами) между нуклонами – в 11 классе).

Роль протонов и нейтронов

• Протоны создают электростатическое отталкивание — чем больше протонов в ядре, тем сильнее стремление ядра к распаду.
• Нейтроны не имеют заряда, но участвуют в ядерных силах. Они «разбавляют» протоны, уменьшая электростатическое давление и стабилизируя ядро. Именно поэтому в тяжёлых ядрах соотношение нейтронов к протонам выше, чем в лёгких.

Пример работы ядерных сил: Представьте ядро как «клей», удерживающий шарики (нуклоны) вместе: Электростатические силы пытаются «разорвать» шарики (протоны) друг от друга. Ядерные силы «склеивают» шарики, преодолевая отталкивание. Если число протонов слишком велико или соотношение нейтронов к протонам нарушено, «клей» перестаёт справляться — ядро становится нестабильным и распадается (радиоактивный распад).

Значение ядерных сил:  Обеспечивают стабильность атомных ядер. Определяют границу существования элементов (почему нет элементов с порядковым номером больше определённого). Лежат в основе ядерных реакций (деление, синтез), используемых в энергетике и медицине.

Вывод: ядерные силы — ключевой фактор, определяющий структуру и поведение атомных ядер. Без них материя в привычном нам виде не существовала бы!

4. Закрепление материала

Решение задач на повторение:

1. Протактиний 23191Ра α -радиоактивен. Определите, какой элемент получится с помощью этого распада?

2. В какой элемент превращается 23992U после двух β-распадов и одного α-распада?

3. Ядро изотопа висмута 21083Bi получилось из другого ядра после одного α-распада и одного β-распада. Что это за ядро?

Решение:  1. При α-распаде: Массовое число уменьшается на 4, Зарядовое число уменьшается на 2: 23191​Pa​→ А Z​X+ 4 2​He                                                       A = 231−4=22    Z=91−2=89​  По таблице Менделеева элемент с Z=89 — это актиний  22789Ас.   Ответ: актиний 22789Ас.
Решение: 2. Первый β-распад: 239 92​U​→ 239 93​Np+ 0 -1 ​e​                                                                           Второй β-распад:  239 93​Np​→ 239 94​Pu+ 0 -1 ​e​                                                                α-распад:  239 94​Pu​→ 235 92​U+ 4 2​He​

Ответ: изотоп урана 23592U                                                                                               Решение: 3.  Пусть исходный элемент — А Z ​X

После α-распада: A Z​X​→ A-4 Z-2​Y+ 4 2​He​

После β-распада: A−4​Z-2Y​→ + 0 -1​e→                                               Составляем уравнения: По массовому числу: A−4=210, значит A=214;          По зарядовому числу: Z−1=83, значит Z=84

По таблице Менделеева элемент с Z=84 — это полоний (Po)

Ответ:  (полоний)

Подведение итогов урока.

Домашнее задание: §55-56, вопросы в конце параграфа.                                                               Выполнить Опорный конспект «Связь частиц в ядре атома. Энергия связи атомных ядер» https://school.oblakoz.ru/dz/100-560-049                                                     Самостоятельная работа «Связь частиц в ядре атома. Энергия связи атомных ядер» https://school.oblakoz.ru/dz/100-187-873

Рефлексия