Состав ядра. Ядерные силы - ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА - КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Физика атомного ядра — важный и обширный раздел современной физики, для которого особенно характерно соединение теоретических и экспериментальных методов исследования. В нём широкое применение наряду с законами и формулами классической механики и электродинамики находят законы и формулы релятивистской динамики, квантовой механики. Ввиду сложности строения атомного ядра как системы, состоящей из значительного числа нуклонов, при изучении ядра используются специальные модели. Среди них капельная модель ядра, оболочечная модель и др.

Изучение ядерной физики в школе существенно не только из- за её практических приложений, но и потому, что в этом разделе расширяются наши представления о фундаментальных силах природы, о глубинных законах строения материи. При изучении строения ядра человеку открывается новый мир физических объектов — мир элементарных частиц.

При построении учебного процесса рационально реализовать системный подход в отборе содержания уроков. Поэтому сначала изучают атомное ядро как физическую систему с определённым составом и взаимодействием элементов, затем рассматривают различные процессы — ядерные реакции. При этом параллельно рассматривают характеристики объектов и явлений, изучают экспериментальные средства их определения. В самом конце темы изучают практические следствия. Предлагаемый вариант планирования достаточно экономный, но всё же первый и второй уроки можно объединить. Проведение лабораторной работы программой предполагается, хотя она и не приведена в учебнике. В принципе после двух первых уроков далее содержание можно прямо планировать по логике учебника.

Урок 1. Состав ядра. Ядерные силы

Задачи урока: изучить протонно-нейтронную модель ядра — основу всех выводов в школьном курсе о строении и свойствах ядра; ввести понятия о новых силах, существенно отличающихся от ранее известных учащимся.

Ход урока

Урок можно провести в форме школьной лекции, дополнив рассказ учителя работой с учебником, таблицами.

I. Изложение нового материала.

Ранее было показано, что большая часть массы вещества сосредоточена в ядре — части атома очень малых размеров. Данный раздел посвящён изучению строения и свойств атомных ядер.

1. Что мы уже знаем о ядре? Размеры ядра, как это следует из опытов Резерфорда, имеют порядок r = 10¹⁴—10¹⁵ м. Заряд ядра положителен и равен Ze, где Z — порядковый номер элемента в таблице Менделеева, а е = 1,602189 ∙ 10¹⁹ Кл — положительный заряд, по абсолютному значению равный заряду электрона.

Какова же форма ядра атома? В настоящее время установлено, что форма ядер всех элементов близка к сферической, хотя бывают и слегка вытянутые или сплюснутые ядра.

Известны и массы ядер. Для определения массы ядра из массы атома надо вычесть массу электронов:

2. Наблюдается важная закономерность: масса любого ядра превышает массу ядра водорода приблизительно в целое число раз. Так, масса ядра гелия почти в четыре раза больше массы ядра водорода, масса ядра урана почти в 238 раз больше, и так для всех ядер. Можно предположить, что ядра многоэлектронных атомов состоят из ядер атомов водорода. Так ли это? Так или иначе, но после открытия атомного ядра встал вопрос о его строении.

В 1919 г. Э. Резерфорд, продолжая изучение ядер вещества, обнаружил среди частиц, выбитых из атомного ядра, частицу с единичным положительным зарядом и массой, равной массе ядра водорода. Она была названа протоном. Это подтверждает предположение, что ядро водорода входит в состав других ядер. Ядро водорода — это один протон. В ядро гелия должно входить два протона, так как заряд ядра гелия Z = 2. Вообще число протонов в ядре должно быть равно заряду ядра Z, совпадающему с порядковым номером элемента в периодической таблице Менделеева.

Кроме протонов в ядрах всех атомов, за исключением водорода, должны быть ещё какие-то частицы, так как массы ядер больше чем Zm_p. В самом деле, ядро гелия имеет заряд, в два раза больший заряда протона, а масса ядра гелия почти в четыре раза больше массы протона. Из какого же числа протонов состоит ядро гелия — из двух или из четырёх? Решение этого вопроса сначала привело учёных к протонно-электронной модели атома. Согласно этой модели ядро атома гелия состоит из четырёх протонов и двух электронов, находящихся внутри ядра, так что общий заряд ядра оказывается равным 4е - 2е = 2е.

В дальнейшем выяснилось, что электронов в ядрах атомов вещества нет, они не могут входить в состав такой малой по размерам системы, как ядро, в силу своих волновых свойств.

3. В 1932 г. ученик Резерфорда английский физик Д. Чедвик открыл новую элементарную частицу. Она оказалась нейтральной и очень близкой по массе к протону. Назвали её нейтроном. В том же году советским физиком Д. Д. Иваненко и немецким физиком В. Гейзенбергом была предложена протонно-нейтронная модель ядра.

Сумма числа протонов и числа нейтронов называется массовым числом и обозначается буквой А. Если обозначить число нейтронов N, то мы получим формулу, связывающую три числовые характеристики ядра:

А = Z + N.

Теперь понятно, почему масса ядра приблизительно в целое число раз превышает массу протона:

М_я ≈ Аm_р,

так как m_n ≈ m_p.

С помощью таблицы периодической системы элементов можно определить число протонов и нейтронов для ядер нескольких элементов. Вводим обозначение ядра:

^A_ZX.

Ядра атомов элементов обозначаются той же буквой, что и сами эти элементы в химии, но дополнительно снабжаются индексами: Z — внизу, А — вверху.

Далее вводят понятие изотопа. Рассматривают изотопы водорода ¹₁Н, ¹₂Н (дейтерий), ¹₃H (тритий), изотопы урана ²³⁸₉₂U, ²³³₉₂U, ²³⁵₉₂U и другие изотопы.

4. Следующий этап изложения материала — знакомство с новыми фундаментальными силами — ядерными. Знания о ядерном взаимодействии систематизированы в таблице 43.

Таблица 43

II. Для закрепления изучаемых понятий на уроке предлагают задания.

1. Определите плотность ядерного вещества.

2. Определите состав ядра углерода ¹⁴₆C.

3. Чем различаются ядра двух изотопов хлора с атомными массами 35 и 37?

III. Домашнее задание: § 78; упр. на с. 302 (ЕГЭ); упр. на с. 309 (1, 3).