Файл: Протокол 3 от Председатель педагогического совета Габдулин Х. В. Согласовано.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.12.2023
Просмотров: 166
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
6.5. Альфа, бета и гамма излучения. Изотопы.
Цель: понимать, что подразумевается под альфа, бета и гамма излучениями и изотопами.
Рис. 48. Виды радиоактивного распада.
Альфа-частицы.
Альфа-частицы отклоняются в магнитном и электрическом полях меньше других, что затрудняло их идентификацию. Окончательно природу α-частиц удалось выяснить Э. Резерфорду. С помощью экспериментов в магнитном поле он определил соотношение заряда и массы. С помощью счетчика Гейгера измерил количество частиц, испущенных препаратом за определенное время, а с помощью электрометра определил их суммарный заряд, рассчитав, таким образом, заряд одной α-частицы (+2). Экспериментально природа альфа-частиц была подтверждена с помощью спектрального анализа газа, образовавшегося за несколько дней в резервуаре, в котором Резерфорд собирал α-частицы. Каждая α-частица захватывала два электрона и превращалась в гелий.
Бета-лучи.
Бета-лучи были идентифицированы как электроны, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света, по сильному отклонению как в магнитном, так и электрическом поле.
Гамма-лучи.
То, что это электромагнитная волна, было доказано опытами по дифракции на кристаллах. В ходе этих опытов была определена длина волны γ-лучей: от 10-8 до 10-11 см. Их проникающая способность гораздо выше, чем у рентгеновских лучей. На шкале электромагнитных волн γ-лучи следуют непосредственно за рентгеновскими. Скорость распространения, как у всех электромагнитных волн, — 300 000 км/с.
Скорости β-частиц, испущенных радиоактивным элементом, различны, что приводит к расширению пучка.
Изотопы — разновидности атомов (и ядер) химического элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа (т.е нейтроны).
Рис. 49. Строение атома: электрон, протон, нейтрон.
Рис. 50. Ядерные реакции радиоактивных элементов.
Рефлексия.
1. Как решается каждая из задач?
2. На какие формулы тем были задачи?
6.6. Закон радиоактивного распада. Период полураспада.
Цель: объяснять закон радиоактивного распада и период полураспада.
Рис. 51. Время самопроизвольного или искусственного распада радиоактивного вещества (препарата).
В связи с этим, Марией Склодовской-Кюри было введено понятие активности. Активность – это число распавшихся ядер в единицу времени. Опытным путем было установлено, что активность прямо пропорциональна исходному количеству ядер.
Коэффициентом пропорциональности в этой зависимости является постоянная распада. Функция зависимости количества оставшихся активных ядер от времени имеет вид
Итак, количество активных ядер зависит от начального количества ядер и экспоненциально убывает с течением времени. Для упрощения этого уравнения, Резерфорд предложил ввести такое понятие как период полураспада. Периодом полураспада данного радиоактивного вещества называется промежуток времени, за который количество исходных ядер уменьшается в два раза.
Рассмотрим функцию в момент времени, равный периоду полураспада. По определению периода полураспада, в этот момент времени, количество распавшихся ядер будет равно половине исходного количества ядер.
Периоды полураспадов различных элементов сведены в таблицы, поэтому, используя эту функцию очень легко найти количество оставшихся активных ядер в определенный момент времени.
Упражнения.
Задача 1. Закончите реакции. Найдите недостающие элементы и определите тип реакции.
Задача 2. При a-распаде образовалось 100 г некоторого вещества. Найдите массу этого вещества через трое суток.
Рефлексия.
1. Как решается каждая из задач?
2. На какие формулы тем были задачи?
6.7. Строение атомного ядра. Ядерные силы.
Цель: описывать строение атомного ядра и действие ядерных сил.
Наличие ядра у атома было доказано Э. Резерфордом в 1911 году. В 1913 году Г. Мозли, анализируя характеристические рентгеновские спектры, доказал, что порядковый номер элемента равен зарядовому числу ядра. В 1919 году Э. Резерфорд открыл, что протон водит в состав всех ядер. Он выполнил первую рукотворную ядерную реакцию, в которой азот бомбардировался ядрами гелия, в результате появлялся кислород и водород, образовавшийся из протона.
Было доказано, что из ядра вылетают α-, β- и γ-частицы.
Модели атомного ядра.
1. Протонно-электронная модель атомного ядра (рис. 52)
Количество протонов в ядре равно массовому числу, а электроны компенсируют до зарядового числа заряд ядра.
Рис. 52. Протонно-электронная модель атомного ядра.
В 1927 году Гейзенберг доказал ложность данной модели.
В 1932 году Д. Чедвик, выполняя по схеме Резерфорда реакцию с бериллием (бериллий бомбардировался α-частицами), обнаружил бериллиевое излучение. И доказал, что в этом излучении присутствует нейтральная частица – нейтрон.
2. Протонно-нейтронная модель атомного ядра (рис. 53)
В ядро входят только протоны и нейтроны. Общее их количество равно массовому числу ядра, а количество протонов равно зарядовому числу.
Рис. 53. Протонно-нейтронная модель атомного ядра.
С высокой точностью были измерены массы протона и нейтрона:
mp = 1,0072764701
1,00728 а.е.м.
mn = 1,0086649041
1,00866 а.е.м.
6.5. Альфа, бета и гамма излучения. Изотопы.
Цель: понимать, что подразумевается под альфа, бета и гамма излучениями и изотопами.
Рис. 48. Виды радиоактивного распада.
Альфа-частицы.
Альфа-частицы отклоняются в магнитном и электрическом полях меньше других, что затрудняло их идентификацию. Окончательно природу α-частиц удалось выяснить Э. Резерфорду. С помощью экспериментов в магнитном поле он определил соотношение заряда и массы. С помощью счетчика Гейгера измерил количество частиц, испущенных препаратом за определенное время, а с помощью электрометра определил их суммарный заряд, рассчитав, таким образом, заряд одной α-частицы (+2). Экспериментально природа альфа-частиц была подтверждена с помощью спектрального анализа газа, образовавшегося за несколько дней в резервуаре, в котором Резерфорд собирал α-частицы. Каждая α-частица захватывала два электрона и превращалась в гелий.
Бета-лучи.
Бета-лучи были идентифицированы как электроны, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света, по сильному отклонению как в магнитном, так и электрическом поле.
Гамма-лучи.
То, что это электромагнитная волна, было доказано опытами по дифракции на кристаллах. В ходе этих опытов была определена длина волны γ-лучей: от 10-8 до 10-11 см. Их проникающая способность гораздо выше, чем у рентгеновских лучей. На шкале электромагнитных волн γ-лучи следуют непосредственно за рентгеновскими. Скорость распространения, как у всех электромагнитных волн, — 300 000 км/с.
Скорости β-частиц, испущенных радиоактивным элементом, различны, что приводит к расширению пучка.
Изотопы — разновидности атомов (и ядер) химического элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа (т.е нейтроны).
Рис. 49. Строение атома: электрон, протон, нейтрон.
Рис. 50. Ядерные реакции радиоактивных элементов.
Рефлексия.
1. Как решается каждая из задач?
2. На какие формулы тем были задачи?
6.6. Закон радиоактивного распада. Период полураспада.
Цель: объяснять закон радиоактивного распада и период полураспада.
Рис. 51. Время самопроизвольного или искусственного распада радиоактивного вещества (препарата).
В связи с этим, Марией Склодовской-Кюри было введено понятие активности. Активность – это число распавшихся ядер в единицу времени. Опытным путем было установлено, что активность прямо пропорциональна исходному количеству ядер.
Коэффициентом пропорциональности в этой зависимости является постоянная распада. Функция зависимости количества оставшихся активных ядер от времени имеет вид
Итак, количество активных ядер зависит от начального количества ядер и экспоненциально убывает с течением времени. Для упрощения этого уравнения, Резерфорд предложил ввести такое понятие как период полураспада. Периодом полураспада данного радиоактивного вещества называется промежуток времени, за который количество исходных ядер уменьшается в два раза.
Рассмотрим функцию в момент времени, равный периоду полураспада. По определению периода полураспада, в этот момент времени, количество распавшихся ядер будет равно половине исходного количества ядер.
Периоды полураспадов различных элементов сведены в таблицы, поэтому, используя эту функцию очень легко найти количество оставшихся активных ядер в определенный момент времени.
Упражнения.
Задача 1. Закончите реакции. Найдите недостающие элементы и определите тип реакции.
Задача 2. При a-распаде образовалось 100 г некоторого вещества. Найдите массу этого вещества через трое суток.
Рефлексия.
1. Как решается каждая из задач?
2. На какие формулы тем были задачи?
6.7. Строение атомного ядра. Ядерные силы.
Цель: описывать строение атомного ядра и действие ядерных сил.
Наличие ядра у атома было доказано Э. Резерфордом в 1911 году. В 1913 году Г. Мозли, анализируя характеристические рентгеновские спектры, доказал, что порядковый номер элемента равен зарядовому числу ядра. В 1919 году Э. Резерфорд открыл, что протон водит в состав всех ядер. Он выполнил первую рукотворную ядерную реакцию, в которой азот бомбардировался ядрами гелия, в результате появлялся кислород и водород, образовавшийся из протона.
Было доказано, что из ядра вылетают α-, β- и γ-частицы.
Модели атомного ядра.
1. Протонно-электронная модель атомного ядра (рис. 52)
Количество протонов в ядре равно массовому числу, а электроны компенсируют до зарядового числа заряд ядра.
Рис. 52. Протонно-электронная модель атомного ядра.
В 1927 году Гейзенберг доказал ложность данной модели.
В 1932 году Д. Чедвик, выполняя по схеме Резерфорда реакцию с бериллием (бериллий бомбардировался α-частицами), обнаружил бериллиевое излучение. И доказал, что в этом излучении присутствует нейтральная частица – нейтрон.
2. Протонно-нейтронная модель атомного ядра (рис. 53)
В ядро входят только протоны и нейтроны. Общее их количество равно массовому числу ядра, а количество протонов равно зарядовому числу.
Рис. 53. Протонно-нейтронная модель атомного ядра.
С высокой точностью были измерены массы протона и нейтрона:
mp = 1,0072764701
Позднее оказалось, что протон и нейтрон являются двумя состояниями частицы – нуклона (N). Были открыты реакции превращения нейтрона в протон и протона в нейтрон:
где : – позитрон.
По современным представлениям, ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов = Z, число нейтронов = M-Z, число нуклонов = М.
У разных изотопов разное массовое число.
Между ядерными частицами — протонами и нейтронами (их называют нуклонами) — действуют особые силы, называемые ядерными силами.
Свойства ядерных сил:
1. Ядерные силы - это силы притяжения, так как они удерживают нуклоны внутри ядра (при очень сильном сближении нуклонов ядерные силы между ними имеют характер отталкивания).
2. Ядерные силы – это не электрические силы, так как они действуют не только между протонами, но и между не имеющими зарядов нейтронами, и не гравитационные, которые слишком малы для объяснения ядерных эффектов.
3. Область действия ядерных сил, ничтожно мала. Радиус их действия 10-13. При больших расстояниях между частицами ядерное взаимодействие не проявляется.
4. Ядерные силы (в той области, где они действуют) очень интенсивные. Их интенсивность значительно больше интенсивности электромагнитных сил, так как ядерные силы удерживают внутри ядра, одноимённо заряженные протоны, отталкивающиеся друг от друга с огромными электрическими силами.
5. Изучение степени связанности нуклонов в разных ядрах показывают, что ядерные силы обладают свойством насыщения, аналогичным валентности химических сил. В соответствии с этим свойством ядерных сил один и тот же нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра. А только с несколькими соседними.
6. Важнейшим свойством ядерных сил является их зарядовая независимость, то есть тождественность трёх типов ядерного взаимодействия: между двумя протонами, между протоном и нейтроном и между двумя нейтронами.
Несмотря на то, что в последнее время наука шагнула далеко вперед, механизм возникновения ядерных сил до сих пор окончательно не выяснен, хотя их свойства хорошо изучены экспериментально и находят практическое применение.
Рефлексия.
1. Как решается каждая из задач?
2. На какие формулы тем были задачи?
6.8. Энергия связи атомных ядер. Ядерные реакции.
Цель: применять формулы энергии связи атомных ядер и решать ядерные реакции.
Используя формулу Эйнштейна, связывающую массу и энергию,
, массу можно выразить в единицах энергии электронвольтах. Связь между различными единицами массы определяется следующими соотношениями:
Массы всех ядер, за исключением ядра водорода, меньше, чем сумма масс образующих их протонов и нейтронов в свободном состоянии. Величина этой разности масс характеризует степень связи нуклонов в данном ядре. Ее называют дефектом масс. Дефект масс — это разность между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра:
В соответствии с законом взаимосвязи массы и энергии {
) дефекту масс 
соответствует некоторое изменение энергии 
. Следовательно, при образовании ядра выделяется энергия 
, а при его расщеплении такое же количество энергии поглощается. Эта энергия получила название энергии связи ядра.Таким образом, под энергией связи атомного ядра понимается минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны:
Поскольку в ядерной физике масса частиц выражается в атомных единицах массы (а. э. м.), энергия — в мегаэлектронвольтах (МэВ), выражение для энергии связи можно записать в виде:
Рассчитаем энергию связи нуклонов в ядре. Предположим, что ядро состоит из 4 протонов и 4 нейтронов (ядро бериллия ). Масса протона = 938,28 МэВ, масса нейтрона = 939,57 МэВ. Суммарная масса всех частиц составляет = 7511,4 МэВ, масса ядра бериллия — = 7454,7 МэВ. Отсюда дефект масс = 56,7 МэВ. Это и есть,
согласно нашему определению, энергия связи атомного ядра. Эта энергия распределена между всеми 8 нуклонами ядра бериллия. Следовательно, на каждый приходится примерно 7 МэВ, что подтверждается экспериментальными данными. Отметим, что энергия связи притягивающихся частиц является отрицательной величиной.
Характеристикой устойчивости ядер служит удельная энергия связи ядра, т. е. энергия связи, приходящаяся на один нуклон. Она равна отношению энергии связи к массовому числу —
Значит, чем больше значение , тем сильнее связан каждый нуклон в ядре, следовательно, тем устойчивее ядро. График зависимости удельной энергии связи от массовых чисел ядер (A) приведен на рисунке 116.
Рис. 54. Удельная энергия связи ядер.
Вычислите энергию, выделяющуюся при ядерной реакции:
Решение
Из периодической системы химических элементов Менделеева найдем массы частиц (в атомных единицах массы), вступивших в реакцию и полученных после нее:
а. е. м. Масса частиц, вступивших в реакцию:
Масса частиц после реакции:
Дефект масс:
Энергия, выделившаяся в результате реакции:
Ответ:
Ядерные реакции.
Таблица №2. Ядерные реакции и их заряд и массовое число.
Рефлексия.
1. Как решается каждая из задач?
2. На какие формулы тем были задачи?
6.9. Деление ядра урана. Цепная ядерная реакция.
Цель: рассмотреть как происходит расщепление ядра урана и модель цепной ядерной реакции.
Эмигранты из нацисткой Германии Л. Мейтнер и О. Фриш в 1939 г. Сумели объяснить механизм деления ядра урана на основе капельной модели ядра, предложенной Н. Бором. Ядро, поглотившее нейтрон, находится в возбужденном состоянии и подобно капле ртути при толчке начинает колебаться, изменяя свою форму. Когда энергия возбуждения станет больше энергии связи, то за счет кулоновских сил ядро разорвется на две части, которые разлетятся в противоположные стороны.
Рис. 55. Бомбардировка урана быстрым нейтроном.
Кинетическая энергия новых ядер обусловлена кулоновскими силами. Если суммарная энергия связи ядер-осколков меньше, чем энергия связи ядра урана, то реакция сопровождается выделением огромной энергии в виде кинетической энергии осколков, энергии гамма-квантов и энергии вторичных нейтронов. Обнаружено, что при бомбардировке нейтронами урана-235 образуется 80 различных ядер.
В январе 1939 года Ферми высказал мысль, что при делении урана-235 следует ожидать испускания быстрых нейтронов и что, если число вылетевших нейтронов будет больше, чем число поглощенных, путь к цепной реакции будет открыт. Поставленный эксперимент подтвердил наличие быстрых нейтронов.
Рис. 56. Цепная ядерная реакция.
Вынужденное деление ядер урана нейтронами сопровождается вылетом нескольких нейтронов, которые, взаимодействуя с соседними ядрами урана, вызывают их деление. Т.к. суммарная энергия связи ядер-осколков меньше, чем энергия связи ядра урана, то цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии в виде кинетической энергии осколков, энергии квантов и энергии вторичных нейтронов.