Ядерные реакции - ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА - КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Задачи урока: ознакомить учащихся с ядерными реакциями, с процессами изменения атомных ядер и превращения одних ядер в другие под действием микрочастиц; подчеркнуть, что это отнюдь не химические реакции соединения и разъединения атомов элементов между собой, затрагивающие только электронные оболочки, а перестройка ядер как систем нуклонов, превращение одних химических элементов в другие.

Ход урока

I. Вопросы для организации повторения: каков состав атомных ядер? Что понимают под энергией связи атомного ядра? Почему масса ядра не равна сумме масс протонов и нейтронов, входящих в него? Как объяснить стабильность атомных ядер? Как определить энергию связи атомного ядра?

При ответах на вопросы изученные формулы записывают на доске.

II. Какие явления происходят с атомными ядрами — учебная проблема урока.

1. Изложение нового материала учитель начинает, обращая внимание учащихся на различия ядер атомов разных элементов: так как ядра состоят из различного числа протонов и нейтронов, то они имеют разные массы, электрические заряды, размеры, энергию связи. Всего с изотопами известно около 2000 разных ядер, называемых нуклидами. Но все ядра состоят из одних и тех же частиц — нейтронов и протонов. Изменяя их число в некотором ядре, добавляя или удаляя нуклоны, можно получить другое ядро.

Однако если химические реакции были известны и используются с незапамятных времён, то самопроизвольные ядерные превращения открыли только в самом конце XIX в., а искусственные ядерные реакции были осуществлены только в XX в. Это объясняется очень высокой устойчивостью ядер из-за большой энергии связи: перестраиваться ядро будет лишь тогда, когда внешние воздействия принесут ему энергию, сравнимую с энергией связи.

2. Явления взаимодействия ядер с элементарными частицами или другими ядрами, при которых ядро изменяет свой состав и свойства, получили название ядерных реакций. Существуют разнообразные ядерные реакции. Таблица 44 даёт представление об их классификации. В верхней части таблицы представлены два класса реакций, различающихся механизмом. В нижней части реакции подразделяются по объектам взаимодействия и результатам. (Учащимся можно рекомендовать для чтения статью И. С. Шапиро “Механизм ядерных реакций” — см. [26].)

Таблица 44

3. После общего знакомства с ядерными реакциями учитель ставит перед учащимися следующую задачу: изучить конкретные реакции, их запись с помощью уравнений и законы протекания.

Первую ядерную реакцию осуществил Э. Резерфорд в 1919 г. Альфа-частицы с энергией 7,68 МэВ, испускавшиеся ядрами полония ²¹⁴₈₄Po, взаимодействовали с ядрами азота ¹⁴₇N. В результате получились ядра кислорода ¹⁷₄O и протоны.

4. В ядерных реакциях выполняются закон сохранения заряда и закон сохранения числа нуклонов — массового числа А. Эти законы помогают записать символические равенства, обозначающие ядерные реакции. Реакцию, которую наблюдал Резерфорд, записывают так:

Чтобы ядерная реакция происходила, нужно сблизить между собой два разных ядра или приблизить к ядру некоторую микрочастицу на расстояние, при котором действуют ядерные силы, т. е. сблизить их до 10^-15 м. Для этого приходится преодолевать значительное электростатическое отталкивание одноименно заряженных ядер. Следовательно, частица, вызывающая реакцию, должна обладать значительной энергией, т. е. быстро двигаться.

5. Первые открытые реакции были вызваны частицами, выбрасываемыми при самопроизвольном распаде ядер урана, радия, полония. В настоящее время для получения ядерных реакций используют специально построенные ускорители элементарных частиц. В этих сложных технических сооружениях и приборах заряженные частицы разгоняются в электромагнитном поле и направляются на ядра-мишени. Ряд важных реакций происходит под действием электронейтральных нейтронов. Их получают в установках, называемых ядерными реакторами (будут изучаться далее). Нейтроны не отталкиваются ядрами, поэтому реакции вызывают как быстрые, так и медленные нейтроны, т. е. движущиеся со сравнительно малыми скоростями.

Изучение ядерных реакций привело не только к пониманию законов строения ядра, но и к открытию ряда элементарных частиц. С помощью приведённой выше реакции установили, что в состав ядра входит протон. В другой ядерной реакции был открыт нейтрон (с. 330 учебника).

III. Для закрепления и углубления знаний решают задачи. Например, дописать ядерные реакции:

Задачи на расчёт энергии ядерных реакций решают с помощью Справочника, в котором массы ядер даны в атомных единицах массы, причём 1 а. е. м. = 1,660565 ∙ 10^-27 кг, что соответствует энергии 931,5016 МэВ.

Решение задач целесообразно выполнять в атомных единицах, переведя результат в мегаэлектронвольты, а для больших значений энергии — в джоули. Например, для реакции

имеем

Отсюда дефект масс 0,018883 а. е. м., что соответствует 17,6 МэВ. Рассмотренная в примере реакция относится к реакциям ядерного синтеза.

IV. Вопросы для организации повторения: какие явления называются ядерными реакциями? Каковы виды ядерных реакций? Каковы законы ядерных реакций?

Домашнее задание: § 87; упр. на с. 309 (ЕГЭ); упр. на с. 343 (1); упр. на с. 331 (ЕГЭ).