Урок изучения нового материала«Строение атомного ядра. Ядерные реакции»

Урок изучения нового материала является одним из важнейших уроков всей темы и к его подготовки нужно подходить очень тщательно. От того как учитель преподнесёт новый материал будет зависеть степень его усвоения.

Тема урока: «Строение атомного ядра. Ядерные реакции» (11 класс).

Цель урока: Сформировать представление учащихся о строении атомного ядра. Ввести понятие ядерные реакции и показать их значение для жизнедеятельности человека.

Ход занятия:

1. Организационный момент: приветствие, объявление темы урока, напоминание основных правил техники безопасности в кабинете.

2. Объяснение нового материала:

Физика – наука о природе, об окружающем нас мире и о Вселенной в целом. Мир чрезвычайно разнообразен. Но как это ни удивительно, вещество звезд точно такое же, как и вещество, из которого состоит Земля. Атомы, слагающие все тела Вселенной, совершенно одинаковы. Живые организмы состоят из тех же атомов, что и неживые. Но никто до сих пор еще не заглянул внутрь атомов настолько, чтобы понять, что они собою действительно представляют. Однако, большое количество экспериментальных данных дает хорошо работающую модель атома. Многие химические и ядерные процессы могут быть объяснены с помощью простой модели строения атома.

Вспомним, что мы знаем о строении атома:

1. Модели атома Дж. Томсона и Э. Резерфорда.

2. Модель атома водорода по Бору.

Итак, центральной частью атома является ядро. Представление Резерфорда о центральном массивном ядре, окруженном в основном пустотой, остается незыблемым.

В 1932 году В.Гейзенберг и Д.Иваненко предложили протонно-нейтронную модель ядра. Все ядра состоят из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. В современной ядерной физике эти частицы объединяют общим названием нуклоны. Они имеют практически одинаковую массу 1 а.е.м. = 1,67 * 10 ^–27кг, d = 10^{-12 см, Е =} mc² = 1 а.е.м.*С² = 931,5 МэВ.

Ядро любого химического элемента может быть описано всего двумя числами:

1. Порядковым номером атома в таблице Менделеева – атомный номер Z.

2. Массовым числом – А.

Z – атомный номер показывает число протонов в ядре, он так же численно равен заряду ядра.

А – массовое число представляет собой сумму числа протонов и нейтронов в ядре.

Число нейтронов обозначается буквой N и может быть вычислено как N = A – Z

В то же время, все атомы одного и того же элемента не обязательно содержат одинаковое количество нейтронов. Атомы одного элемента с разным количеством нейтронов называют изотопами этого элемента. Например:

Большинство элементов существует в природе как смесь изотопов в разных пропорциях.Если посмотреть в таблицу Менделеева, то мы увидим, что атомные массы химических элементов иногда сильно отличаются от целых чисел. Это означает, что в таблице указано среднее значение массы, с учетом процентного содержания всех изотопов.

А теперь я предлагаю вам на этом этапе нашей работы заполнить карточки «Проверь себя»: (один из вариантов)

1) Известно, что ядро химического элемента содержит 85 протонов и 120 нейтронов. Как называется этот элемент?

2) Заполните пропуски: ¹²_? С; ¹⁶_?О; ²⁴₁₂?;¹⁰⁸_?Аg; ²⁰⁰_?Нg; ²³⁸₉₂?

3) Заполните пропущенные клетки в таблице:

Изотоп	Символ	Порядковый номер	Массовое число	Число нейтронов
Углерод - 12	^126С
Углерод - 13
Кислород - 16	^168О
Стронций - 90	^9038Sr
Йод - 131	^13153I

Если представить ядро как шарик, внутри которого упакованы протоны и нейтроны, то встает вопрос: Какова природа сил, удерживающих их между собой?

Существование ядер возможно только в том случае, если между частицами действуют силы особой природы. Они не электростатические («+» с «+» отталкиваются). Они не гравитационные (массы частиц очень маленькие). Эти новые силы получили название ядерные силы, порождаемые сильным взаимодействием. Ядерные силы имеют короткодействующий характер и стремятся к нулю, если расстояние между частицами превышает размерядра. Физики их называют «богатырь с очень короткими руками».

Для того чтобы удалить нуклон из ядра, преодолеть ядерные силы, надо совершить большую работу, т.е. сообщить ядру значительную энергию.

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

Оказывается, что масса ядра всегда меньше суммы масс слагающих его нуклонов. Воспользовавшись уравнением Эйнштейна Е = mc²:

Е_св= (Zm_p + Nm_n – M_я) с².

В ядерной физике энергию измеряют не в джоулях, а в электрон вольтах (1 эВ – такая энергия у электрона, пролетевшего разность потенциалов в 1В)

Но еще чаще используют понятие удельной энергии, т.к. энергия связи пропорциональна числу частиц в ядре. Рассмотрим график зависимости Е_св от массового числа

В области ядер легких элементов энергия связи растет с ростом номера ядра. В области элементов до железа нуклоны в более тяжелых ядрах связаны сильнее, чем в легких. Поэтому при определенных условиях может протекать ядерная реакция синтеза. Ядерной реакцией называются всевозможные изменения атомных ядер. При реакции синтеза тяжелого ядра из более легких ядер возникает ситуация, когда часть энергии выделяется каким-то образом. Термоядерная реакция слияния ядер водорода. При этой реакции выделяется примерно 25 МэВ энергии. Считается, что этот цикл является главным источником энергии в звездах типа Солнца.

У ядер элементов тяжелее железа энергия связи начинает уменьшаться с ростом номера ядра (это связано с ростом электростатического отталкивания). Поэтому, начиная с некоторого номера, более тяжелые ядра становятся менее стабильными и претерпевают естественный радиоактивный распад.

3. Закрепление полученных знаний:

В конце урока каждому учащемуся предлагается ответить на вопросы теста (один из вариантов):

1 вопрос: Какое уравнение имеет ядерная реакция для a – распада Pu²³⁸₉₄?

Ответы: 1) ²³⁸ ₉₄ Pu = ²³⁴ ₉₂ U + a 2) ²³⁸ ₉₄ Pu = ²³⁷ ₉₃ Np + a 3) ²³⁸ ₉₄ Pu = ²⁴⁰ ₉₆ Cm + a.

2 вопрос: Какое уравнение имеет ядерная реакция для b – распада ¹³¹₅₃I?

Ответы: 1) ¹³¹₅₃ I = ¹³¹₅₂Te + b 2) ¹³¹₅₃ I = ¹³¹₅₄ Xe + b 3) ¹³¹₅₃ I = ¹²⁷₅₀ Sn + b.

3 вопрос: радиоактивный изотоп тория ²³²₉₀ Th, испытывая шесть a – распадов и четыре b – распада, превращается в стабильный изотоп элемента Х. Чему равны заряд Z и массовое число А этого изотопа?

Ответы: 1) Z = 78, А =212; 2) Z = 82, А = 208; 3) Z = 78, А = 208.

4 вопрос: Какое соотношение из приведенных ниже справедливо для полной энергии свободных протонов Е _р, свободных нейтронов Е _nи атомного ядра Е_я, составленного из них?

Ответы: 1) Е _я < Е _р + Е _n 2) Е _я= Е _р + Е _n 3) Е _я> Е _р + Е_n

5 вопрос: Какое из трех типов излучений (a, b, g) не отклоняетсямагнитными и электрическими полями?

Ответы: 1) a; 2) b; 3) g.

4. Подведение итогов урока:

Подводятся итоги урока и выставляются оценки за работу на уроке.

5. Домашнее задание.