УСІ УРОКИ ФІЗИКИ
11 КЛАС

АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА

УРОК 5/54

Тема. Атомне ядро

Мета уроку: ознайомити учнів з моделлю ядра атома й із історією відкриття протона й нейтрона.

Тип уроку: комбінований урок.

ПЛАН УРОКУ

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Відкриття протона

Складно сказати, яку подію слід вважати відкриттям протона: адже як іон Гідрогену він був відомий уже давно. У відкритті протона зіграли роль і створення Е. Резерфордом планетарної моделі атома (1911 рік), і відкриття ізотопів (Ф. Содді, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906-1919 p.), і спостереження ядер Гідрогену, вибитих альфа-частинками з ядер Нітрогену (Е. Резерфорд, 1919 рік).

1925 року П. Блекетт одержав у камері Вильсона перші фотографії слідів протона, одночасно підтвердивши відкриття штучного перетворення елементів.

Виміри показали, що протон має позитивний заряд, що дорівнює за модулем заряду електрона, а маса протона приблизно у 1800 разів більше маси електрона. Протони зустрічаються в земних умовах у вільному стані як ядра атома Гідрогену.

2. Відкриття нейтрона

1930   року два німецьких фізики, Боті й Беккер повідомили, що їм удалося зафіксувати новий дивний вид ядерного випромінювання, що мало неймовірну проникну здатність. Виникало воно в результаті бомбардування атомів Берилію альфа-частинками. Через два роки за цією публікацією з’явилося нове відкриття, зроблене Фредериком й Ірен Жоліо-Кюрі. Подружжя використало нове випромінювання для бомбардування парафіну, воскоподібної речовини, що складається з водню й вуглецю. Виявилося, що при цьому з парафіну вилітають протони.

Англійський фізик Д. Чедвик відразу висунув ідею, що нове випромінювання складається з невідомих частинок. Щоб визначити їхній розмір, він обстрілював ними мішень із бору й за збільшенням маси ядер обчислив, що частинки мають масу, близьку до маси протона. Крім того, з’ясувалося, що вони не залишають слідів у камері Вильсона. Чедвик вирішив, що це зумовлено тим, що частинки не мають заряду (нейтральні частинки не спричиняють іонізації й відповідно не призводять до конденсації перенасиченої пари).

Про можливість існування подібних частинок уже йшлося раніше, і навіть була запропонована нова назва — нейтрони, яку й використав Чедвик. За відкриття нейтронів він одержав Нобелівську премію з фізики за 1935 рік.

Нейтрони у вільному виді в земних умовах практично не зустрічаються через їхню нестійкість. Нейтрон досить швидко мимовільно розпадається: середній час життя нейтрона близько 15,3 хвилини.

3. Протонно-нейтронна модель ядра

1932 року Д. Д. Іваненко опублікував замітку, у якій висловив припущення, що нейтрон разом із протоном є структурним елементом ядра. Однак протонно-нейтронну модель ядра більшість фізиків сприйняла скептично. Навіть Резерфорд вважав, що нейтрон — це лише складне утворення протона й електрона.

Гіпотезу протон-нейтронного складу ядер висловив незабаром після відкриття нейтрона Чедвик, остаточно ж її підтвердили вже на початку становлення сучасної ядерної фізики. Як зараз зрозуміло, протон-нейтронна модель виявилася одним з необхідних відправних пунктів усього розвитку ядерної фізики поряд з іншими фундаментальними відкриттями.

Ядро атома будь-якого хімічного елемента складається із двох видів елементарних частинок — протонів і нейтронів.

Ø  Число протонів у ядрі дорівнює атомному номеру елемента Z в періодичній системі елементів і називається зарядовим числом.

Число нейтронів у ядрі позначають N.

Ø  Суму числа протонів Z і числа нейтронів N у ядрі називають масовим числом і позначають літерою А:

A = Z + N.

Як одиницю маси в атомній і ядерній фізиці використовують атомну одиницю маси (а. е. м.).

Ø  Атомна одиниця маси дорівнює 1/12 маси атома Карбону атомною масою 12:1 а. е. м. = 1,66057·10-27 кг.

Якщо під X маємо на увазі символ хімічного елемента, то ядро будь-якого хімічного елемента в загальному вигляді позначається так: AZX. Наприклад, для Феруму: 5626Fe, для Нітрогену: 147N, для Урану: 23592N і т. ін. Протон і нейтрон позначають, відповідно, як 11р і 10n.

Ø  Оскільки масове число А являє собою загальне число протонів і нейтронів у ядрі, то число нейтронів у ядрі можна знайти в такий спосіб:

N = A - Z.

4. Нуклони

Співробітник Резерфорда Фредерик Содді виявив, що існують ядра з тим самим електричним зарядом, але різною масою (їх назвали ізотопами).

Ø  Ізотопи являють собою ядра з тим самим значенням Z, але різними масовими числами А, тобто з різним числом нейтронів N.

Наприклад, водень має три ізотопи: 11Н — протій (у ядрі тільки один протон), 21Н — дейтерій (у ядрі — протон і нейтрон), 31Н — тритій (у ядрі — протон і два нейтрони).

У сучасній фізиці приймають, що протон і нейтрон — це два так званих зарядових стани однієї й тієї ж частинки — нуклона (від латинського nucleus — ядро).

Протон — нуклон у зарядженому стані, нейтрон — у нейтральному. Використовуючи цей термін, можна стверджувати, що атомні ядра складаються з нуклонів.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. У скільки разів приблизно розмір атома більший від розміру атомного ядра?

2. Чи існують атомні ядра із зарядом меншим, ніж у протона?

3. У ядрі якого атома немає нейтронів?

4. Які основні властивості нейтрона? Чому цю частинку важко було відкрити?

Другий рівень

1. Яке припущення (щодо складу ядер) дозволяли зробити результати дослідів щодо взаємодії α-частинок з ядром атомів різних елементів?

2. Чому довелося відмовитися від припущення про те, що ядра атомів складаються тільки із протонів?

3. Для якого атома масове число дорівнює зарядовому?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чим відрізняються за складом ядра ізотопів Берилію 74Ве й 94Ве?

2. Визначте за допомогою таблиці Д. И. Менделєєва, атом якого хімічного елемента має: а) 3 протони в ядрі; б) 9 електронів.

3. Використовуючи Періодичну систему хімічних елементів Д. И. Менделєєва, визначте кількість протонів, нейтронів і електронів в атомах Нітрогену, Фосфору й Кадмію.

2). Навчаємося розв'язувати задачі

1. У ядрі атома хімічного елемента 22 протони й 26 нейтронів. Назвіть цей елемент.

2. У ядрі атомів срібла 108 частинок. Навколо ядра обертається 47 електронів. Скільки в ядрі цього атома нейтронів і протонів?

3. На рисунках схематично показані деякі ядра. Які з них належать ізотопам того самого хімічного елемента? Назвіть відповідні ізотопи.

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

·       Склад атомного ядра: протонно-нейтронна модель.

·       Ядра з тим самим електричним зарядом, але різною масою називають ізотопами.

·       Протон і нейтрон — це два так званих зарядових стани однієї й тієї ж частинки — нуклона.

·       Кількість Z протонів у ядрі називають зарядовим числом.

·       Величину А = Z + N, яка дорівнює загальному числу нуклонів у ядрі, називають масовим числом.

·       Верхній індекс у позначенні ядра AZX відповідає масовому числу, а нижній — зарядовому числу ядра.

Домашнє завдання

1. Підр.: § 29 (п. 1).

2. 3б.:

Рів1 № 17.1; 17.2; 17.3; 17.4.

Рів2 № 17.22; 17.24; 17.25; 17.26.