Тема13.2. Склад атомного ядра. Радіоактивні перетворення ядер. (2 год.)

Мета: систематизувати знання студентів про склад атомного ядра та радіоактивні перетворення ядер; навчити використовувати формули й теоретичний матеріал в процесі розв’язування задач; розвивати логічне мислення та кмітливість; показати, що практика – це основа наукового процесу пізнання;виховувати інформаційну культуру студентів, увагу, акуратність у виконанні роботи.

План.

1 Будова атомного ядра.

2 Ядерні сили.

3 Енергія зв’язку атомних ядер.

Вивчення нового матеріалу.

Будова атомного ядра.

Атомне ядро – це центральна частина атома, яка складається з протонів та нейтронів ( нуклонів).

Ядро було відкрите Е. Резерфордом у 1911 році під час проходження α- частинок через речовину. Досліди Е. Резерфорда показали, що атомне ядро, яке знаходиться в центрі атома, в 10 000 разів менше розміру електронної оболонки та зосереджує 99,9% маси атома.

Після відкриття у 1932 році Дж. Чедвіком нейтрона в тому ж році Д.Д. Іваненко та В.Г. Гейзенберг незалежно один від одного запропонували протонно-нейтронну модель атома.

Згідно з цією моделлю ядро складається з протонів та нейтронів. Кількість протонів у ядрі Z збігається з номером елемента в таблиці Д.І. Меделєєва (та кількістю електронів в нейтральному атомі). Заряд ядра визначається кількістю протонів ньому:

Q = Zе

де е – елементарний заряд ( 1,6.10^-19 Кл).

Загальна кількість протонів і нейтронів в атомі називається масовим числом та позначається літерою А:

А = Z + N

де N – кількість нейтронів.

Протон ( у перекладі з грецької означає «перший», символ р)- стабільна елементарна частинка, ядро атома Гідрогену.

Протон – позитивно заряджена частинка, заряд якої дорівнює елементарному заряду електрона е.

Протони зустрічаються у земних умовах у вільному стані як ядра атома Гідрогену. Термін «протон» запровадив Е.Резерфорд на початку 1920-х років.

Нейтрон (від лат. neuter – ані той, ані інший, символ n) – це елементарна частинка, що не має заряду, тобто є нейтральною.

Маса нейтрона 1 1839 разів перевищує масу електрона. Маса нейтрона майже дорівнює (незначно більша) маси протона: маса спокою вільного нейтрона m_n = 1,6749286.10^-27 кГ = 1,000866 а.о.м. (атомних одиниць маси). Маса нейтрона перевищує масу протона на 2,5 маси електрона.

Нейтрон – нестабільна частинка: вільний нейтрон за час ≈ 15 хвилин розпадається на протон, електрон та нейтрино – частинку, що не має маси спокою.

У природі існують атоми, ядра яких мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів. У 1913 році англійський учений Ф.Содді назвав їх ізотопами.

Ізотопи – це різновиди атомів даного хімічного елемента, які мають однакові хімічні властивості, але відрізняються за масою та фізичними властивостями.

Ядерні сили. Оскільки протони в ядрі мають однаковий позитивний заряд, вони відштовхуються. Результатом такого відштовхування мало б стати розрив ядра на окремі частинки. Практика ж показує, що цього не відбувається. Це означає, що існують у природі сили, що набагато перевищують сили електромагнітної та гравітаційної взаємодії. Ці сили називають ядерними силами. Вони у 100 разів перевищують електричні (кулонівські) сили. Це найпотужніші сили, з усіх, які існують у природі. Тому взаємодію ядерних частинок відносять до сильних взаємодій – особливого типу взаємодії, притаманного більшості елементарних частинок поряд з електромагнітними взаємодіями.

Ще однією особливістю ядерних сил є їх короткодія. Вони помітно виявляються лише на відстані приблизно 10^-12 – 10^-13 см, тобто у розмірах ядра. На відстані, що хоч трохи перебільшує розміри ядра, ядерні сили різко слабнуть.

Енергія зв’язку атомних ядер. Усталеність атомного ядра характеризується енергією зв’язку (Е_зв).

Під енергією зв’язку ядра розуміють ту енергію, яка необхідна для повного розщеплення ядра на окремі нуклони.

Енергію зв’язку виражають в мегаелектронвольтах (МеВ):

1 Мев = 1,6.10^-13Дж.

На основі закону збереження енергії можна також стверджувати, що енергія зв’язку дорівнює тій енергії, яка виділяється під час утворення ядра з окремих частинок.

Енергія зв’язку атомних ядер дуже велика. Визначити її можна, застосовуючи співвідношення Ейнштейна між масою та енергією:

Е = mс²

Найточніші вимірювання показують, що маса спокою ядра М_я завжди менше суми мас протонів та нейтронів, що складають його:

М_я < Zm_p + Nm_n

Різницю мас називають дефектом маси атомного ядра:

ΔМ = Zm_p + Nm_n

Зменшення маси під час утворення ядра з окремих нуклонів означає, що при цьому зменшується енергія цієї системи нуклонів на величину енергії зв’язку Е_зв :

Е_зв = ΔМ.с² = ( Zm_p + Nm_n – М_я ).с²

Енергія зв’язку переходить в енергію випромінюваних під час ядерних перетворень γ- квантів.

Питомою енергією зв’язку називають енергію зв’язку, що припадає на один нуклон ядра. Її визначають експериментально. Залежність Е_пит від масового числа А наведена на рис.

Як можна побачити з рисунка, питома енергія зв’язку приблизно дорівнює 8 МеВ/нуклон (за виключенням найлегших ядер). Слабкий максимум(8,6 Мев/нуклон) припадає на елементи з масовими числами від 50 до 60, тобто залізо та близькі до нього за порядковим номером елементи.

Е_пит = Е_зв / А

Ядра цих елементів найбільш сталі У важких ядер питома енергія зв’язку зменшується за рахунок кулонівської енергії відштовхування протонів, яка зростає при збільшенні Z. Кулонівські сили намагаються розірвати ядро.

Запитання для самоперевірки:

1. Які події дали поштовх для створення протонно-нейтронної моделі будови атомного ядра:

2. Що таке протон?

3. Що таке нейтрон?

4. Як визначити у ядрі атома кількість протонів, нейтронів?

5. Як визначити кількість електронів в атомі?

6. Співвідношення між масами електрона та протона і нейтрона.

7. Ядерні сили: визначення та властивості.

8. Енергія зв’язку атомного ядра: визначення та формула для обчислення.

9. Що таке дефект маси ядра?

10. Дати визначення питомої енергії зв’язку.

11. Як можна пояснити те, що питома енергія зв’язку найбільш легких та найбільш важких ядер менша за 8 МеВ/нуклон?

12. Що таке ізотопи?