Нейтрон - Физика атомного ядра - Квантовая физика

Цель: рассказать об истории открытия нейтрона.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проведение самостоятельной работы

Вариант I

1. Какой заряд имеет α-частица, β-частица? (α-частица - положительная, β-частица - отрицательная.)

2. Что представляет собой α-излучение? (Поток атомов гелия.)

3. Какие частицы излучаются в данном процессе: ? (Ядро гелия.)

4. Какая частица освобождается при ядерной реакции: ? (Нейтрон.)

5. Что претерпевает превращения при радиоактивных превращениях? (Ядра атомов.)

6. Как возникает β-частица при β-распаде? (Происходит превращение нейтрона в протон с выбросом за пределы ядра электрона с большой скоростью. Протон остается в ядре.)

7. Имеется радиоактивный цезий массой 8 кг. Определите массу нераспавшегося цезия после 135 лет радиоактивного распада, если его период полураспада равен 27 лет. (0,25 кг).

Вариант II

1. Какой заряд имеют β-частица, γ-излучение? (β-частица - отрицательный, γ-излучение — не имеет заряда.)

2. Что представляет собой γ-излучение? (β-излучение квантов энергии.)

3. Внутри атомных ядер, для которых М > 200, два протона и два нейтрона взаимодействуют между собой (в течение 10^-21 с). Когда энергия системы из четырех частиц становится достаточной для преодоления ядерных сил, она вылетает из ядра. Какой произошел радиоактивный распад? (α-распад.)

4. В результате какого радиоактивного распада натрий ²²₁₁Na превращается в ²²₁₂Mg ? (В результате β-распада.)

5. Почему радиоактивные препараты хранятся в толстых свинцовых контейнерах? (Чтобы избежать опасного излучения.)

6. Сколько процентов радиоактивных ядер кобальта останется через 35,5 сут., если период полураспада равен 71 сут.? (75%.)

7. Имеется 4 г радиоактивного кобальта. Сколько граммов кобальта распадается за 216 сут., если его период полураспада равен 72 сут.? (3,5 г.)

III. Изучение нового материала

Нейтрон - это ключ, открывший доступ к запасам внутриядерной энергии. Теперь мы знаем о нем много - он лишен заряда, его масса m_n = 1,008665; а.е.м незначительно - примерно на две электронных массы превышает массу протона. В свободном состоянии нейтрон довольно быстро, с периодом полураспада 10,7 мин, распадается на протон, электрон и электронный антинейтрон по схеме:

В ядре нейтрон связан прочными ядерными силами и, как правило, стабилен. Ядерные силы существенно меняют свойства нейтронов и в зависимости от типа ядра период его β-распада может быть самым разным. Резерфорд предсказал его существование еще в 1920 г.

В 1930 г. Боте и Беккер облучали α-частицами бериллий. Наблюдали они при этом не протоны, а излучение, которое проходило через слой свинца толщиной в 2,5 см.

Два года спустя Ирэн и Фредерик Жамо-Кюри продолжили исследования природы нового излучения. Впоследствии Чэдвик, узнав об опытах Жамо-Кюри, понял, что Боте и Беккер наблюдали ядерную реакцию превращения бериллия в углерод с испусканием нейтрона:

В 1935 г. открытие Чэдвика отмечено Нобелевской премией.

IV. Закрепление изученного материала

- Расскажите, как был открыт нейтрон.

- Какова его масса, заряд?

- Объясните, почему при центральном столкновении с протоном нейтрон передает ему всю энергию, а при столкновении с ядром азота - только ее часть.

Домашнее задание

п. 104.

Дополнительный материал

В 1914 г. началась Первая мировая война и Резерфорду пришлось на время отложить свои исследования. Но периодически, работая на военную промышленность, он возвращался к своим собственным экспериментам. В своих следующих экспериментах Резерфорд планировал взломать атом.

Эти попытки увенчались полным и потрясающим успехом. Новый взлет Резерфордовского гения привел к открытию, которое впоследствии революционизировало всю науку и технику современности. Был дан первый сигнал к началу атомного века. Резерфорд расщепил атомное ядро.

Мысль об этом возникла у Резерфорда при наблюдении в камере Вильсона (к тому времени она была уже изобретена и усовершенствована) и в сцинтилляционном счетчике загадочных треков (следов), гораздо более длинных, чем треки частиц, хорошо знакомых ему по бесчисленным опытам. Он подумал, что существуют какие-то неизвестные ему причины резкого удлинения пробега частиц. Другое предположение (оно оказалось правильным) заключалось в том, что длинные следы оставляют другие неопознанные частицы. Перед исследователем возникла задача выяснить, какое из двух предположений истинно.

Для получения ответа на свои вопросы Резерфорд решил выполнить серию опытов по бомбардировке частицами различных веществ. Он построил прибор, который теперь кажется нам необыкновенно простым. Но мы должны признать также, что только он был наиболее пригоден для наглядного решения задачи. В нем мишенями для бомбардировки должны были быть газы (т. е. легкие атомы), а не металлические пластинки, обычно использовавшиеся Резерфордом во многих предыдущих опытах.

Собственно построенный Резерфордом прибор, с помощью которого ему удалось впервые расщепить ядра атомов легких элементов, схематически изображен на рисунке.

Латунная трубка 6 длиной 20 см с двумя кранами наполняется газом. Внутри трубки находится диск радиоактивного излучателя 7, испускающего частицы. Диск этот укреплен на стойке, двигающейся по рельсу 4. Во время опыта один конец трубки закрывается матовой стеклянной пластинкой, а другой конец - стеклянной пластинкой (прикрепляемой воском). Маленькое прямоугольное отверстие в латунной пластинке закрывалось серебряной пластинкой 3. Серебряная пластинка обладала способностью задерживать частицы, эквивалентные слою воздуха толщиной примерно 5 см. Против отверстия помещался люминесцирующий экран из цинковой обманки. Для счета сцинтилляций исследователь пользовался зрительной трубой 1.

Когда Резерфорд наполнил трубку азотом, то в поле зрения появились частицы, оставляющие очень длинный след, подобно тому, что он уже наблюдал. Конечно, Резерфорд, прежде чем прийти к окончательным выводам, проделал еще много опытов. Но окончательное заключение было таково: при столкновении частиц с ядрами азота, некоторые из этих ядер разрушаются, испуская ядра водорода - протоны, а затем происходит образование ядра кислорода.

Колоссальное значение этого открытия было с самого начала ясно самому Резерфорду и его сотрудникам. Впервые осуществилось расщепление атомных ядер. Непоколебимые, как казалось до этого, представления о «неразложимости» химических элементов были наглядно опровергнуты. Открывались совершенно новые и удивительные возможности искусственного получения одних элементов из других, выделения огромной энергии, содержащейся в ядрах, и т. д.

Продолжая исследования, он получает экспериментальное подтверждение ранее уже установленного им положения, что небольшое количество атомов азота при бомбардировке распадается, испуская быстрые протоны - ядра водорода. В свете позднейших исследований, писал Резерфорд, «общий механизм этого превращения вполне ясен. Время от времени частицы действительно проникают в ядро азота, образуя на мгновение новое ядро типа ядра фтора с массой 18 и зарядом 9. Это ядро, которое в природе не существует, чрезвычайно неустойчиво и сразу же распадается, выбрасывая протон и превращаясь в устойчивое ядро кислорода с массой 17 ...».

В результате длительных экспериментов Резерфорду удалось вызвать ядерные реакции в 17 легких элементах.

Продолжая опыты по расщеплению ядер, Резерфорд пришел к следующему выводу: хотя частицы и обладают большой энергией, но для проникновения в ядра элементов они все же являются недостаточно мощными снарядами. Он решил повысить энергию частиц, разгоняя их в высоковольтной установке. Так был сделан первый шаг в развитии ускорительной техники.