Состав атомных ядер. Дефект массы

Вид занятия: комбинированный урок.

Уровень усвоения информации: первый (узнавание ранее изученных объектов, свойств) + второй (выполнение деятельности по образцу, инструкции или под руководством).

Образовательные цели: дать понятие о ядре атома, частицах, входящих в состав атомного ядра, их массе. Ввести понятие дефекта массы, энергии связи атомного ядра, удельной энергии связи. Научить решать задачи разного типа по теме урока.Подчеркнуть реальность данного процесса.

Воспитательные цели: развивать коммуникативные способности через организацию работы в малых группах; создавать содержательные и организационные условия для развития самостоятельности в добывании студентами знаний, скорости восприятия и переработки информации, культуры речи, воспитании настойчивости в достижении цели; формировать умение работать в коллективе, команде.

Развивающие цели: развивать активность студентов, умения анализировать, сравнивать, делать выводы и обобщать.

Актуальность изучения темы

При изучении данной темы, обучающие должны усвоить теоретические вопросы, связанные с понятиями состав атомного ядра, ядерные силы, массовое и зарядовое число, их обозначения. Формулы дефекта массы и энергии связи ядра. Понимать смысл определений, перевода массы из атомных единиц в килограммы, энергетического эквивалента квадрата скорости света.

Сколько уже в последнее время говорилось об опасности, которая несет в себе проникающая радиация, о возникновении вследствие ее пагубного действия раковых опухолей и других смертельно опасных заболеваниях. Желая обезопасить себя от пагубного влияния радиации, мы избегаем рентгеновского обследования, солнечного загара, контакта с другими потенциальными источниками опасности, покупаем радиационный дозиметр, в надежде вовремя обнаружить и обезопасить себя от облучения.

В. Гейзенберг и Д. Д. Иваненко предложили протонно-нейтронную модель ядра. Согласно этой модели ядро состоит из протонов и нейтронов. Ядра с одним и тем же числом протонов, но с разным числом нейтронов называются изотопами. Их химические свойства тождественны.

Протоны и нейтроны удерживаются внутри ядра мощными короткодействующими силами. Это ядерные силы.

Важнейшим для всей ядерной физики является понятие энергии связи. Энергия связи ядер в миллионы раз превышает энергию ионизации атомов.

Блок информации.

К 20-м годам XX века физики уже не сомневались в том, что атомные ядра, открытые Э. Резерфордом в 1911 г., также как и сами атомы, имеют сложную структуру. В этом их убеждали многочисленные экспериментальные факты, накопленные к этому времени: открытие радиоактивности, экспериментальное доказательство ядерной модели атома, измерение отношения e / m для электрона, α-частицы и для так называемой H-частицы – ядра атома водорода, открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций, измерение зарядов атомных ядер и т. д.

В настоящее время твердо установлено, что атомные ядра различных элементов состоят из частиц двух видов – протонов и нейтронов.

Первая из этих частиц представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в 1907 г. в опытах Дж. Томсона, которому удалось измерить у нее отношение e / m. В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов. Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер.

По современным измерениям, положительный заряд протона в точности равен элементарному заряду e = 1,60217733·10^–19 Кл, то есть равен по модулю отрицательному заряду электрона. В настоящее время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10^–22. Такое совпадение зарядов двух непохожих друг на друга частиц вызывает удивление и остается одной из фундаментальных загадок современной физики.

Масса протона, по современным измерениям, равна m_p= 1,67262∙10^–27 кг. В ядерной физике массу частицы часто 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, m_p = 1,007276  а. е. м. Во многих случаях массу частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой E = mc². Так как 1 эВ = 1,60218·10^–19 Дж, в энергетических единицах масса протона равна 938,272331 МэВ.

Таким образом, в опыте Резерфорда было открыто явление расщепления ядер азота и других элементов при ударах быстрых α-частиц и показано, что протоны входят в состав ядер атомов.

После открытия протона было высказано предположение, что ядра атомов состоят из одних протонов. Однако это предположение оказалось несостоятельным, так как отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны. Для более тяжелых ядер это отношение оказывается меньше, чем для легких, т. е. при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра растет быстрее, чем заряд.

Весь материал - смотрите документ.

Государственное автономное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Новосибирской области

«Барабинский медицинский колледж»

Цикловая методическая комиссия общих гуманитарных,

социально-экономических дисциплин

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

комбинированного занятия

Дисциплина: Физика

Раздел 4«Квантовая физика и элементы астрофизики»

Тема 4.6 «Состав атомных ядер. Дефект массы»

для специальности:«Сестринское дело»

по программе базовой подготовки

курс 1

Барабинск 2013 г

Рассмотрена на заседании

ЦМК ОГСЭД

Протокол № ___________

От ____________ 20___г.

Председатель ЦМК

______________________

(Ф. И. О.)

______________________

(подпись)

Разработчик: преподаватель физики Вашурина Т. В.

Содержание

Методический лист ………………………………………………………4

Формирование требований ФГОС при изучении темы ………………5

Выписка из тематического плана дисциплины «Физика» ……...……6

Схема интегративных связей темы ……………………………………..7

Актуальность изучения темы ……………………………………………8

Примерная хронокарта занятия ………………………………………....9

Блок информации по теме ………………………………………………12

План самостоятельной работы студентов ………………………………17

Приложение №1 ………………………………………………………….18

Приложение №2 ………………………………………………………….19

Приложение №3 ………………………………………………………….21

Приложение №4 ………………………………………………………….24

Домашнее задание ……………………………………………………….25

Перечень оборудования и оснащения ………………………………….25

Перечень литературы …………………………………………………….26

Методический лист

Тема 4.6

Состав атомных ядер. Дефект массы.

Вид занятия: комбинированный урок.

Уровень усвоения информации: первый (узнавание ранее изученных объектов, свойств) + второй (выполнение деятельности по образцу, инструкции или под руководством).

Образовательные цели: дать понятие о ядре атома, частицах, входящих в состав атомного ядра, их массе. Ввести понятие дефекта массы, энергии связи атомного ядра, удельной энергии связи. Научить решать задачи разного типа по теме урока.Подчеркнуть реальность данного процесса.

Воспитательные цели: развивать коммуникативные способности через организацию работы в малых группах; создавать содержательные и организационные условия для развития самостоятельности в добывании студентами знаний, скорости восприятия и переработки информации, культуры речи, воспитании настойчивости в достижении цели; формировать умение работать в коллективе, команде.

Развивающие цели:развивать активность студентов, умения анализировать, сравнивать, делать выводы и обобщать.

Формирование требований ФГОС при изучении темы «Состав атомного ядра. Дефект массы»

В результате изучения темы обучающийся должен знать:

• смысл понятий: атомное ядро, радиоактивность, дефект массы, энергия связи, ионизирующее излучение;

• историю открытия формулы энергии связи.

В результате изучения темы обучающийся должен уметь:

• описывать и объяснять результат наблюдений и экспериментов, связанных с радиоактивностью;

• приводить примеры применения радиоактивных изотопов в медицине;

• применять полученные знания для решения физических задач;

• воспринимать и на основе полученных знаний самостоятельно оценивать информацию, содержащуюся в сообщениях СМИ, научно-популярных статьях;

• использовать новые информационные технологии для поиска, обработки и предъявления информации по физике в компьютерных базах данных и сетях (сети Интернета).

Изучение темы 4.6 способствует формированию у обучающихся следующих общих компетенций:

ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения задач, оценивать их выполнение и качество.

ОК 6.Работать в коллективе и команде.

Выписка из тематического плана

дисциплины «Физика»

специальность сестринское дело, акушерское дело

Схема интегративных связей темы

Тема 4.6

Состав атомных ядер. Дефект массы.

Медицина

(лечение онкологических заболеваний, для исследования кровообращения, для постановки диагноза)

Биология

(мутация растений и микроорганизмов, для борьбы с вредными насекомыми)

Химия

(состав ядра атома, массовое и зарядовое число, положение в таблице Д. И. Менделеева)

Актуальность изучения темы

При изучении данной темы, обучающие должны усвоить теоретические вопросы, связанные с понятиями состав атомного ядра, ядерные силы, массовое и зарядовое число, их обозначения. Формулы дефекта массы и энергии связи ядра. Понимать смысл определений, перевода массы из атомных единиц в килограммы, энергетического эквивалента квадрата скорости света.

Сколько уже в последнее время говорилось об опасности, которая несет в себе проникающая радиация, о возникновении вследствие ее пагубного действия раковых опухолей и других смертельно опасных заболеваниях. Желая обезопасить себя от пагубного влияния радиации, мы избегаем рентгеновского обследования, солнечного загара, контакта с другими потенциальными источниками опасности, покупаем радиационный дозиметр, в надежде вовремя обнаружить и обезопасить себя от облучения.

В. Гейзенберг и Д. Д. Иваненко предложили протонно-нейтронную модель ядра. Согласно этой модели ядро состоит из протонов и нейтронов. Ядра с одним и тем же числом протонов, но с разным числом нейтронов называются изотопами. Их химические свойства тождественны.

Протоны и нейтроны удерживаются внутри ядра мощными короткодействующими силами. Это ядерные силы.

Важнейшим для всей ядерной физики является понятие энергии связи. Энергия связи ядер в миллионы раз превышает энергию ионизации атомов.

Примернаяхронокарта занятия по теме «Состав атомного ядра. Дефект массы» (время занятия 90 минут)

Блок информации

План изложения учебного материала по теме 4.6 «Состав атомного ядра. Дефект массы»

1. Состав атомных ядер.

2. Открытие нейтронов.

3. Ядерные силы.

4. Энергия связи.Дефект массы.

1. Состав атомных ядер.

К 20-м годам XX века физики уже не сомневались в том, что атомные ядра, открытые Э. Резерфордом в 1911 г., также как и сами атомы, имеют сложную структуру. В этом их убеждали многочисленные экспериментальные факты, накопленные к этому времени: открытие радиоактивности, экспериментальное доказательство ядерной модели атома, измерение отношения e / m для электрона, α-частицы и для так называемой H-частицы – ядра атома водорода, открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций, измерение зарядов атомных ядер и т. д.

В настоящее время твердо установлено, что атомные ядра различных элементов состоят из частиц двух видов – протонов и нейтронов.

Первая из этих частиц представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в 1907 г. в опытах Дж. Томсона, которому удалось измерить у нее отношение e / m. В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов. Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер. Схема опытов Резерфорда представлена на рис. 1.

Рисунок 1.Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α-частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп

По современным измерениям, положительный заряд протона в точности равен элементарному заряду e = 1,60217733·10^–19 Кл, то есть равен по модулю отрицательному заряду электрона. В настоящее время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10^–22. Такое совпадение зарядов двух непохожих друг на друга частиц вызывает удивление и остается одной из фундаментальных загадок современной физики.

Масса протона, по современным измерениям, равна m_p= 1,67262∙10^–27 кг. В ядерной физике массу частицы часто 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, m_p = 1,007276 а. е. м. Во многих случаях массу частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой E = mc². Так как 1 эВ = 1,60218·10^–19 Дж, в энергетических единицах масса протона равна 938,272331 МэВ.

Таким образом, в опыте Резерфорда было открыто явление расщепления ядер азота и других элементов при ударах быстрых α-частиц и показано, что протоны входят в состав ядер атомов.

После открытия протона было высказано предположение, что ядра атомов состоят из одних протонов. Однако это предположение оказалось несостоятельным, так как отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны. Для более тяжелых ядер это отношение оказывается меньше, чем для легких, т. е. при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра растет быстрее, чем заряд.

2. Открытие нейтронов (доклад студентов с презентацией)

В 1920 г. Резерфорд высказал гипотезу о существовании в составе ядер жестко связанной компактной протон-электронной пары, представляющей собой электрически нейтральное образование – частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Он даже придумал название этой гипотетической частице – нейтрон. Это была очень красивая, но, как выяснилось впоследствии, ошибочная идея. Электрон не может входить в состав ядра. Квантово-механический расчет на основании соотношения неопределенностей показывает, что электрон, локализованный в ядре, т. е. области размером R ≈ 10^–13 см, должен обладать колоссальной кинетической энергией, на много порядков превосходящей энергию связи ядер в расчете на одну частицу. Однако идея о существовании тяжелой нейтральной частицы казалась Резерфорду настолько привлекательной, что он незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком заняться ее поиском. Через 12 лет, в 1932 г. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия α-частицами, и обнаружил, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Так был открыт нейтрон. На рис. 2 приведена упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.

Рисунок 2.Схема установки для обнаружения нейтронов

При бомбардировке бериллия α-частицами, испускаемыми радиоактивным полонием, возникает сильное проникающее излучение, способное преодолеть такую преграду, как слой свинца толщиной в 10–20 см. Это излучение почти одновременно с Чедвиком наблюдали супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри (Ирен – дочь Марии и Пьера Кюри), но они предположили, что это γ-лучи большой энергии. Они обнаружили, что если на пути излучения бериллия поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения резко возрастает. Они доказали, что излучение бериллия выбивает из парафина протоны, которые в большом количестве имеются в этом водородосодержащем веществе. По длине свободного пробега протонов в воздухе они оценили энергию γ-квантов, способных при столкновении сообщить протонам необходимую скорость. Она оказалась огромной – порядка 50 МэВ.

Дж. Чедвик в 1932 г. выполнил серию экспериментов по всестороннему изучению свойств излучения, возникающего при облучении бериллия α-частицами. В своих опытах Чедвик использовал различные методы исследования ионизирующих излучений. На рис. 2 изображен счетчик Гейгера, предназначенный для регистрации заряженных частиц. Он состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом (обычно аргоном) при низком давлении. Заряженная частица, пролетая в газе, вызывает ионизацию молекул. Появившиеся в результате ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем между анодом и катодом до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и через счетчик проходит короткий разрядный импульс тока. Другим важнейшим прибором для исследования частиц является так называемая камера Вильсона, в которой быстрая заряженная частица оставляет след (трек). Траекторию частицы можно наблюдать непосредственно или фотографировать. Действие камеры Вильсона, созданной в 1912 г., основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах, образующихся в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы. С помощью камеры Вильсона можно наблюдать искривление траектории заряженной частицы в электрическом и магнитном полях.

Нейтрон – это элементарная частица. Ее не следует представлять в виде компактной протон-электронной пары, как первоначально предполагал Резерфорд.

По современным измерениям, масса нейтрона m_n = 1,67493∙10^–27 кг = 1,008665 а. е. м. В энергетических единицах масса нейтрона равна 939,56563 МэВ. Масса нейтрона приблизительно на две электронные массы превосходит массу протона.

Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями. Протоны и нейтроны принято называть нуклонами.

Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). 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

Ядра одного и того же химического элемента могут отличаться числом нейтронов. Такие ядра называются изотопами. У большинства химических элементов имеется несколько изотопов.

3. Ядерные силы.

Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы кулоновского отталкивания протонов. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия – так называемого сильного взаимодействия. Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов. Важной особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер. Ядерные силы заметно проявляются, как показали опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц, лишь на расстояниях порядка размеров ядра (10–12–10–13 см). На больших расстояниях проявляется действие сравнительно медленно убывающих кулоновских сил.

На основании опытных данных можно заключить, что протоны и нейтроны в ядре в отношении сильного взаимодействия ведут себя одинаково, т. е. ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия у частиц электрического заряда.

4. Энергия связи. Дефект массы.

Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра.

Энергия связи ядра равна минимальной энергии, 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.

Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. В настоящее время физики научились измерять массы частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого ядра Mя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов:

Mя_p + Nm_n.