Учебные презентаций. Строение атомного ядра.Ядерные силы. Энергия связи ядра.

14-ТЕМА

Строение атомного ядра.Ядерные силы. Энергия связи ядра.

содержание

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
Состав атомных ядер.
Ядерные силы.
Энергия связи.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружаю-щие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда

Конец XIX века ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.), а также открытиями электронов (Дж. Томсон, 1897 г.) и α-частиц (Э. Резерфорд, 1899 г.). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля – фотонах (А. Эйнштейн).
В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В 1919 году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов обнаружил протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг). В том же 1932 году в косми-ческих лучах был открыт позитрон (К. Андерсон

Позитрон – поло-жительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком еще в 1928 году. В эти годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы. В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (μ-мезонами). Затем в 1947–1950 годах были открыты пионы (т. е. π-мезоны), которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре.

С момента открытия строения атома (Резерфорд, 1911 г.) мно-гочисленные экспериментальные факты убеждали, что атомные яд-ра, также как и сами атомы, имеют сложную структуру.
В продуктах расщепления ядер атомов многих элементов были обнаружены ядра атома водорода, Э. Резерфорд назвал эту части-цу протоном и высказал предположение, что протоны входят в сос-тав всех атомных ядер.

Отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер. При переходе к более тяжелым ядрам масса ядра растет быстрее, чем заряд, так что в состав ядер должны входить еще какие-то другие частицы.
В 1932 г. Джеймс Чедвик открыл нейтрон – нейтральную час-тицу с массой, чуть большей массы протона. Д.Д. Иваненко и И.Е. Тамм, а также независимо В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра, согласно которой атомные ядра различ-ных элементов состоят из двух частиц – протонов и нейтронов. Дальнейшие исследования подтвердили эту модель.

Протон - представляет собой атом водорода, из которого уда-лен единственный электрон. Протон p обозначается . Положи-тельный заряд протона в точности равен элементарному заряду e = 1,60217733·10–19 Кл, то есть равен по модулю отрицательному заряду электрона. Масса протона равна mp = 1,67262·10–27 кг. В ядерной физике массу частицы выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), равной массы атома углерода с массовым числом 12: 1 а. е. м. = 1,66057·10–27 кг.

Следовательно, mp = 1,007276 · а. е. м. Во многих случаях массу частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой Эйнштейна E = mc2.
Так как 1 эВ = 1,60218·10–19 Дж, в энергетических единицах масса протона равна 938,272331 МэВ.
Нейтрон – это элементарная частица, масса нейтрона равна mn = 1,67493·10–27 кг = 1,008665 а. е. м. В энергетических единицах масса нейтрона равна 939,56563 МэВ. Масса нейтрона прибли-зительно на две электронные массы превосходит массу протона. Нейтрон обозначается .

Протоны и нейтроны принято называть нуклонами.
Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атом-ным номером (это порядковый номер в периодической таблице Мен-делеева). Заряд ядра равен Ze, где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N. Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом A:
A = Z + N.

Ядерные силы.

Для того, чтобы атомные ядра были устой-чивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы кулонов-ского отталкивания протонов.
Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными.
Они представляют собой проявление так называемого сильного взаимодействия. Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов. Особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер. Ядерные силы заметно проявляются лишь на расстояниях порядка размеров ядра (10–14–10–15 м). На больших расстояниях проявляется действие сравнительно медленно убывающих кулонов-ских сил.

Энергия связи ядра равна минимальной энер-гии, 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.
Масса любого ядра Mя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов: Mя < Zmp + Nmn.
Дефектом массы называется разность масс:
ΔM = Zmp + Nmn – Mя.
По дефекту массы можно определить с помощью формулы Эйнштейна E = mc2, энергию, выделившуюся при образовании дан-ного ядра, т. е. энергию связи ядра Eсв:
Eсв = ΔMc2 = (Zmp + Nmn – Mя)c2.

 
В чем сущность модели атомного ядра?
Дайте характеристику частиц, составляющих атомное ядро.
Каков физический смысл зарядового числа?
Каков физический смысл массового числа в модели атомного ядра?
Как в ядерной физике обозначается любой химический элемент?
Как определить число нейтронов в ядре любого элемента таблицы Менделеева?

Что называют изотопами химического элемента? Приведите примеры.
Как называются изотопы водорода и как их обозначают?
Почему атомная масса многих химических элементов не выражается целым числом?
Объясните принцип работы счетчика Гейгера.
Объясните принцип работы камеры Вильсона.
Какие силы действуют между нуклонами в атомных ядрах? Проявлением какого вида фундаментальных взаимодействий являются эти силы?

Тестовые задания.

1. (99/7-61). Порядковый номер урана в таблице Менделеева 92, а массовое число 238. Сколько нейтронов имеется в ядре урана?
А) 92. В) 143. С) 146. D) 238. Е) 330.
2.(98/11-43). Каков состав ядра атома полония ?
84 протона, 210 нейтронов.
84 нейтрона, 126 протонов.
210 протонов, 84 нейтрона.
84 протона, 126 нейтронов.
126 нейтронов, 210 протонов.

Тестовые задания.

3. (03/8-55). Сколько электронов имеется в оболочке нейтрального атома, если в атомном ядре содержатся 6 протонов и 8 нейтронов?
А) 2. В) 6. С) 8. D) 14. Е) 0.
4.(03/9-16). Сколько нуклонов имеется в изотопе кислорода ?
А) 8. В) 9. С) 17. D) 25. Е) недостаточно данных.
5. (03/9-76). Каково массовое число А атомного ядра, если число протонов в ядре равно- Z, а число нейтронов N?
A) Z+N. B) N-Z. C) Z-N. D) N. E) Z.

Тестовые задания.

6. (98/9-62). Что такое γ-излучение?
А) поток электронов. В) поток протонов.
поток квантов электромагнитного излучения.
поток нейтронов. Е) поток ядер гелия.
7. (99/7-62). Что такое β-излучение?
А) поток протонов. В) поток электронов. С) поток нейтронов.
D) поток ядер гелия. Е) поток квантов электромагнитного излучения.
8. (98/5-67). Что такое α-излучение?
А) поток электронов. В) поток протонов. С)поток нейтронов.
D) поток квантов электромагнитного излучения. E) поток ядер гелия.