Ядерные силы, ядерные реакции. Энергия связи. Дефект масс - Физика атомного ядра - Квантовая физика

Цель: познакомить учащихся с понятием ядерной реакции, дефекта масс, энергией связи.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка домашнего задания. Повторение

- Что происходит с ядром радиоактивного элемента при α-распаде?

- Приведите пример реакции α-распада.

- Как читается правило смещения для α-распада?

- Что происходит в ядре атома, претерпевшего β-распад? Какие частицы при этом излучаются? Что происходит с зарядом ядра и почему?

- Сформулируйте правило смещения для β-распада.

- Изменится ли массовое число ядра при β-распаде? Почему?

- Каким видом излучения часто сопровождается α- и β-распад?

III. Проведение самостоятельной работы

Вариант I

1. Какой заряд имеют α-частица, β-частица?

а) α-частица - отрицательный; β-частица - положительный;

б) α- и β-частицы - положительный;

в) α-частица - положительный, β-частица - отрицательный.

2. α-излучение - это:

а) поток электронов;

б) поток ядер атомов гелия;

в) излучение квантовой энергии.

3. Какие частицы излучаются при указанном процессе распада?

а) ядро гелия;

б) электрон;

в) ядро гелия и электрон.

4. Тот факт, что при радиоактивных превращениях из атомов одних веществ образуются атомы других веществ, является доказательством того, что радиоактивные превращения претерпевают:

а) ядра атомов;

б) электронные оболочки;

в) кристаллы.

5. В результате β-распада новый элемент занял место в таблице Менделеева:

а) на две клетки правее;

б) на две клетки левее;

в) на одну клетку правее;

г) на одну клетку левее.

Вариант II

1. Какой заряд имеют β-частица, γ-излучение?

а) β-частица - положительный; γ-излучение - отрицательный;

б) β-частица - отрицательный, γ-излучение - не имеет заряда;

в) β-частица и γ-излучение - отрицательный.

2. β-излучение - это:

а) β-излучение квантов энергии;

б) поток ядер гелия;

в) поток электронов.

3. В результате какого радиоактивного распада натрий ²²₁₁Na превращается в ²²₁₁Mg?

а) α-распада;

б) β-распада.

4. Почему радиоактивные препараты хранят в толстых свинцовых контейнерах?

а) чтобы избежать опасного излучения;

б) чтобы увеличить период полураспада;

в) чтобы уменьшить явление радиоактивности.

5. Какие частицы или излучения имеют наибольшую проникающую способность?

а) α-частицы;

б) β-излучение;

в) γ-излучение.

IV. Изучение нового материала

Гипотеза о том, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, подтверждалась многими экспериментами. Это свидетельствует о справедливости протонно-нейтронной модели строения ядра.

Но почему ядра не распадаются на отдельные нуклоны под действием сил электростатического отталкивания между положительно заряженными протонами?

Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электромагнитные. Это самые мощные силы из всех, которыми располагает природа. Поэтому взаимодействия ядерных частиц часто называют сильными взаимодействиями.

Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в ядре, называются ядерными силами.

Свойства ядерных сил:

- являются только силами притяжения;

- во много раз больше кулоновских сил;

- не зависят от наличия заряда;

- короткодействующие: заметны на r ≈ 2,2 · 10^-15 м;

- взаимодействуют с ограниченным числом нуклонов;

- не являются центральными.

Важную роль во всей ядерной физике играет понятие энергии связи ядра. Энергия связи позволяет объяснить устойчивость ядер, выяснить, какие процессы ведут к выделению ядерной энергии.

Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные частицы.

На основании закона сохранения энергии можно также утверждать, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Энергия связи атомных ядер очень велика. Например, образование 4 г гелия сопровождается выделением такой же энергии, что и сгорания 1,5-2 вагонов каменного угля.

Наиболее простой путь нахождения этой энергии основан на применении закона о взаимосвязи массы и энергии:

Е = mс².

Масса покоя ядра М_я всегда меньше суммы масс покоя слагающих его протонов и нейтронов:

т. е. существует дефект масс:

Энергия связи ядра:

Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом. Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 г. Удалось расщепить литий на две α-частицы:

V. Закрепление материала

- Какие силы действуют между нуклонами в атомном ядре?

- Проявлением какого вида фундаментальных взаимодействий являются эти силы?

- Какими свойствами обладают ядерные силы притяжения?

- Что называют энергией связи атомного ядра?

- Что называют дефектом массы?

- Напишите формулу дефекта массы.

- Что называют ядерными реакциями?

VI. Решение задач

Задача № 1

Вычислите дефект масс ядра кислорода ¹⁷₈O.

Решение:

Дефект массы ядра равен:

Из символической записи элемента ¹⁷₈O следует, что А = 17 и Z = 8, т. е. в состав ядра кислорода входит 8 протонов и 9 нейтронов: N = А - Z = 17 - 8 = 9.

Тогда выражение для дефекта масс можно записать:

(Ответ: Δm ≈ 1,6 · 10^-28 кг.)

Задача № 2

Найти энергию связи ядра изотопа лития ⁷₃Li.

Решение:

Энергия связи ядра Е_св = Δm · с², где Δm - дефект массы ядра:

Отсюда Из символической записи изотопа лития ⁷₃Li видим, что А = 7 и Z = 3, т. е. в ядре изотопа лития 7 нуклонов, из них 3 протона и 4 нейтрона (N = А -Z). Подставив значения А и Z в выражение энергии связи, получим:

(Ответ: Е_св = 5,58 · 10^-13 Дж.)

VII. Подведение итогов урока

Домашнее задание

п. 106.

Р - 1183; Р - 1184.

Решить задачи:

1) В результате захвата α-частицами ядра изотопа азота ¹⁴₇N образуется неизвестный элемент и протон. Написать реакцию и определить неизвестный элемент.

(Ответ: .)

2) При бомбардировке изотопа азота ¹⁴₇N нейтронами получается изотоп углерода ¹⁴₆С, который оказался β-радиоактивным. Напишите уравнения ядерных реакций.

(Ответ: ¹₁Н - протон; .)

3) Ядро какого элемента получается при взаимодействии нейтрона с протоном (сопровождающимся выделением γ-кванта)?

(Ответ: изотоп водорода, ²₁Н - дейтерий.)

4) Допишите реакцию: Определите энергию связи ядра гелия.

(Ответ: )