Физика 9 класс

Тема: Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер

Урок 56. Состав атомного ядра. Массовое число. Зарядовое

число. Ядерные силы

Ерюткин Евгений Сергеевич

учитель физики высшей категории ГОУ СОШ №1360

Москва

Здравствуйте! Сегодняшний урок будет посвящен вопросу, связанному с обсуждением строения ядра атома, зарядовому числу, массовому числу, поговорим также о том, что такое ядерные силы. Наш урок – это подведение некоторого промежуточного итога по всем ранее изученным вопросам. Мне бы хотелось сказать то, что мы изучали вопросы, связанные со строением атома и строением ядра. Поэтому сегодня мы поговорим именно об этом. Некоторый итог предыдущим темам, предыдущим вопросам. Прежде чем мы перейдем к тому вопросу, который обозначен первым, мы поговорим вот о чем. На предыдущем уроке мы говорили, что Резерфорд в своих экспериментах установил, что существует такая частица, как протон. Через некоторое время в 1932 году Чедвик установил, что существует еще одна частица, которая называется нейтрон. После этого открытия независимо друг от друга два человека, русский ученый Иваненко и немецкий ученый Гейзенберг, предложили протонно-нейтронную модель строения ядра атома. По этой теории Иваненко – Гейзенберга, ядро любого атома содержит протоны и нейтроны. Эти протоны и нейтроны вместе, те, которые находятся в ядре атома, было решено называть нуклонами. Таким образом, «нуклон» (от лат. «ядро») – общее название для протонов и нейтронов. Те частицы, которые имеют заряд, и те частицы, которые заряд не имеют, нейтроны, эти все частицы вместе называются нуклонами. Давайте еще вот о чем поговорим. Идея о заряде ядра была впервые выдвинута в 1913 году английским ученым Генри Мозли. Он предложил, что, раз атом электронейтрален, порядковый номер элемента, умноженный на элементарный электрический заряд, это и есть заряд ядра. Каким образом Мозли пришел к такому заключению? Дело в том, что количество электронов в атоме соответствует порядковому номеру. Значит, заряд всех электронов – это произведение порядкового номера на заряд одного электрона. Поскольку в ядре сосредоточен положительный заряд, значит, то же самое можно говорить и о ядре. Давайте посмотрим на то, как пришел Мозли именно к тому, что мы называем зарядовым числом. Посмотрите:

q Я = Z . | e |

q Я – заряд ядра

е – заряд электрона

Z – число протонов в ядре, зарядовое число

Заряд числа, по такому утверждению, определяется как произведение порядкового номера на элементарный электрический заряд. В данном случае е – это заряд электрона, элементарный электрический заряд его называют, и взят он по модулю, потому что понятно, что заряд ядра у нас положительный. В этом случае порядковый номер стали называть зарядовым числом, порядковый номер – это число, соответствующее числу протонов в ядре. Таким образом, мы, говоря о порядковом номере, можем говорить о количестве протонов в ядре. Следующее число, о котором необходимо сказать, – это число массы. Оно, это число, обозначено буквой А, и это самое число берут то же из таблицы Менделеева и округляют его до целых. Дальше мы можем говорить о том уравнении, которое называется во всем мире уравнением Иваненко – Гейзенберга. Это уравнение состоит из трех чисел: массового числа, зарядового числа и числа нейтронов. Давайте посмотрим, как оно записывается и как обозначаются данные величины.

Уравнение Иваненко - Гейзенберга

А = Z + N

А – массовое число,

Z – порядковый номер элемента,

N – число нейтронов в ядре

Посмотрите: массовое число А говорит о том, какое количество нуклонов входит в ядро. Оказалось, что, по таблице Менделеева определяя массовое число химического элемента, мы определяем число нуклонов в ядре атома.

Z, как мы говорили, будет порядковый номер и число протонов в ядре. N в данном случае – это число нейтронов. Таким образом, мы можем из этого уравнения определить число нейтронов, число протонов, зная массовое число и порядковый номер. Здесь необходимо отметить важный момент. Дело в том, что в 1913 году еще один ученый Содди (вы помните, что этот человек работал вместе с Резерфордом) установил интересную вещь. Выяснено было, что существуют химические элементы с абсолютно одинаковыми химическими свойствами, но разным массовым числом. Такие элементы, у которых одинаковые химические свойства, но разное массовое число, стали называть изотопами. Изотопы – это химические элементы с одинаковыми химическими свойствами, но с различной массой атомных ядер.

Еще надо добавить, что у изотопов разная радиоактивность. Все это вместе привело к изучению этого вопроса. Здесь показаны изотопы легких и тяжелых элементов химических. Давайте посмотрим. Мы выбрали специально разные области таблицы Менделеева, чтобы показать, что практически все элементы химические имеют изотопы.

Изотопы:

Н – протий U

H – дейтерий U

Н – тритий

У водорода этих изотопов три. Первый изотоп Н называется протий. Обратите внимание, что порядковый номер ставится внизу, вот это число Z, а сверху пишется массовое число – это число А. Сверху А, внизу Z, и если мы понимаем, что это обозначает, что в ядре атома протия самый простой химический элемент, самый распространенный во вселенной. Там всего лишь 1 протон, а нейтронов в этом ядре совсем нет. Есть второй вид водорода – это дейтерий. Наверное, многие слышали такое слово. Обратите внимание: порядковый номер 1, а массовое число равно 2. Так что ядро дейтерия состоит уже из 1 протона и из одного нейтрона. И есть еще один изотоп водорода. Называется тритий. Тритий как раз (порядковый номер первый), а массовое число говорит о том, что в ядре этого изотопа находятся 2 нейтрона. И еще один элемент – это уран. Совсем другая сторона таблицы Менделеева. Это уже тяжелые элементы. У урана 2 изотопа распространенных. Это уран 235. Порядковый номер 92, а массовое число 235. Сразу можно говорить о том, чем отличается ядро одного элемента от другого. Второй изотоп: тоже порядковый номер 92, а массовое число 238. Очень часто, когда идет речь об изотопах, в частности урана, никогда не говорят порядкового номера. Просто говорят «уран», называют химический элемент и говорят его массовое число – 238. Или уран 235. Мы обсуждаем этот вопрос по той простой причине, что знаем, как сегодня этот химический элемент важен для энергетики нашей страны и вообще мировой энергетики в целом.

Следующий вопрос, который мы должны затронуть, вытекает из сказанного. Как эти частицы, эти нуклоны удерживаются внутри ядра? Мы назвали различные химические элементы, изотопы различные, особенно у тяжелых элементов, там, где нуклонов, т.е. протонов и нейтронов, много. Как, каким образом они удерживаются внутри ядра? Мы знаем, что в маленьком ядре расстояния, размеры ядра очень и очень малы, бывает собрано большое количество частиц нуклонов. Как эти нуклоны там так плотно, тесно удерживаются, какими силами? Ведь за счет электростатического отталкивания эти частицы должны очень быстро распадаться, разлетаться. Мы знаем, что разноименные только заряды притягиваются, частицы, заряженные разноименными зарядами. Если частицы заряжены одноименно, понятно, что они должны отталкиваться. Внутри ядра находятся протоны. Они положительно заряжены. Размер ядра очень мал. В этом же ядре находятся еще и нейтроны, значит, должны быть силы, которые удерживают вместе те и другие частицы. Эти самые силы называют ядерными силами. Ядерные силы – это силы притяжения, действующие между нуклонами . Можно сказать, что у этих сил существуют свои особые свойства.

Первое свойство, о котором мы должны сказать, – это то, что ядерные силы должны превосходить силы электростатического отталкивания. И это так, когда удалось их определить, то выяснилось, что они в 100 раз превосходят силы электростатического отталкивания. Еще одно очень важное замечание, что действуют ядерные силы на малом расстоянии . Например, 10 -15 м – это и есть диаметр ядра, эти силы действуют. Но стоит только увеличиться размеру ядра до 10 -14 , казалось, совсем немного, то это приводит к тому, что ядро обязательно распадется. На этом расстоянии уже ядерные силы не действуют. А силы электростатического отталкивания продолжают действовать и именно они отвечают за то, что ядро распадается.

Еще можно сказать о ядерных силах то, что они не центральны , т.е. они не действуют вдоль прямой, соединяющей эти частицы. И то, что ядерные силы не зависят от того, обладает частица зарядом или не обладает, потому что в ядро входят и протоны, и нейтроны. Вместе эти частицы находятся. Таким образом, вывод: эти частицы, нуклоны, удерживаются в ядре за счет ядерных сил, и эти силы действуют только в ядре. Еще можно отметить, что ядерные силы имеют важное значение в плане стабильности ядра. Отвечают за долговременность существования этого элемента. В заключение мы можем отметить еще одно: когда мы будем говорить об энергетике, вот здесь именно ядерные силы будут играть основную роль. Об этом мы поговорим на следующих уроках. До свидания.

Задание к уроку .

1. Определите нуклонный состав ядер железа (количество нуклонов, протонов, нейтронов).

2. В ядре атома химического элемента 22 протона и 26 нейтронов. Назовите этот химический элемент.

3. Оцените силу гравитационного взаимодействия между двумя нейтронами в ядре. Масса нейтрона примерно равна 1,7*10 -27 кг, расстояние между нейтронами примите равным 10 -15 м, значение гравитационной постоянной 6,67*10 -11 (Н*м 2 )/кг 2 .

Массовое число

Знание массового числа позволяет оценить массу ядра и атома. Если известно массовое число, то масса М атома и его ядра оценивается из следующего соотношения М ≈ А·m N , где m N ≈ 1,67·10 −27 кг - масса нуклона, то есть протона или нейтрона. Например, в состав атома алюминия-27 и его ядра входит 27 нуклонов (13 протонов и 14 нейтронов). Его масса примерно равна 27·1,67·10 −27 кг ≈ 4,5·10 −26 кг. Если необходимо получить массу ядра с большей точностью, то нужно учесть, что нуклоны в ядре связаны силами ядерного притяжения, и поэтому в соответствии с соотношением E = mc 2 масса ядра уменьшается. В массу атома также следует добавить суммарную массу электронов на орбитах вокруг ядра. Однако все эти поправки не превышают 1 %.

в левой части массовое число начального ядра равно 238, в правой части реакции - два ядра с массовыми числами 234 и 4, что в сумме даёт 238. С учётом того, что массовое число альфа-частицы (ядра гелия-4) равно 4, альфа-распад снижает массовое число распадающегося ядра на 4 единицы. Любые типы бета-распада (бета-минус-распад , позитронный распад , электронный захват , все типы двойного бета-распада) не изменяют массовое число, поскольку в этом процессе происходит лишь превращение некоторых нуклонов ядра из одного вида в другой (протонов в нейтроны или обратно). Изомерный переход также не изменяет массовое число ядра.

Примечания

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Массовое число" в других словарях:

- (число нуклонов, символ А), общее число НУКЛОНОВ (НЕЙТРОНОВ и ПРОТОНОВ) в ЯДРЕ АТОМА. Его обычно записывают как верхний индекс перед химическим символом элемента. Таким образом, наилегчайший элемент, водород, имеет только один протон в ядре, и… … Научно-технический энциклопедический словарь

Суммарное число нуклонов (нейтронов и протонов) в ат. ядре. Различно для изотопов одного хим. элемента. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983. МАССОВОЕ ЧИСЛО … Физическая энциклопедия

Число нуклонов в атомном ядре. Обычно указывается слева вверху у символа химического элемента (напр., 10В) … Большой Энциклопедический словарь

МАССОВОЕ ЧИСЛО - общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре, обозначается А и указывается индексом вверху слева у символа соответствующего элемента, напр. 32S означает изотоп серы с массовым числом, равным 32 (А = 32). М. ч. изотопа равно целому… … Большая политехническая энциклопедия

массовое число - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва] Тематики электротехника, основные понятия EN mass number … Справочник технического переводчика

Число нуклонов в атомном ядре. Обычно указывается слева вверху у символа химического элемента (например, 10В). * * * МАССОВОЕ ЧИСЛО МАССОВОЕ ЧИСЛО, число нуклонов в атомном ядре. Обычно указывается слева вверху у символа химического элемента… … Энциклопедический словарь

массовое число - masės skaičius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Atomo branduolio nukleonų skaičius. atitikmenys: angl. mass number; nuclear number; nucleon number vok. Massenzahl, f; Nukleonenzahl, f rus. массовое число, n; число… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

массовое число - masės skaičius statusas T sritis chemija apibrėžtis Atomo branduolio nukleonų skaičius. atitikmenys: angl. mass number; nuclear number; nucleon number rus. массовое число … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

массовое число - masės skaičius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. mass number; nuclear number; nucleon number vok. Massenzahl, f; Massezahl, f; Nukleonenzahl, f rus. массовое число, n pranc. nombre de masse, m; nombre de nucléons, m … Fizikos terminų žodynas

Число нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре; обозначается буквой A и указывается обычно слева вверху рядом с символом элемента, например 32S означает изотоп серы с A = 32. М. ч. и заряд ядра Z, выраженный в единицах элементарного … Большая советская энциклопедия

В центре атома сосредоточена основная его масса и весь положительный заряд. Эта область атома получила название ядра.

Размеры атома м, а размеры ядра

м масса ядра составляет 99,95% массы атома. В нейтральном атомеZ электронов. Заряд ядра положительный и кратен элементарному заряду

Кл. Заряд ядра можно представить как

, гдеZ - зарядовое число, оно совпадает с химическим номером таблицы Менделеева и равно числу протонов, входящих в ядро.

Второй важнейшей характеристикой ядра является его масса. Масса ядра оказалась больше суммы масс протонов, входящих в ядро.

Было сделано предположение, что в состав ядра входят нейтральные частицы. В 1932 году Чедвиг открыл нейтроны. Иваненко и Гейзенберг предложили протонно-нейтронную теорию ядра. Ядро расщепляется на протоны и нейтроны. Они называются нуклонами. Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом A . Общее число нейтронов равно N=A-Z. Масса покоя протона равна

кг, масса нейтрона равна

кг.

Ядро химического элемента обозначают тем же символом, что и нейтральный атом

, гдеZ - атомный номер (заряд ядра), A - массовое число (число нуклонов в ядре). Ядра с одинаковым зарядовым числом, но с разным массовым, называются изотопами (изотопы различаются числом нейтронов). Ядра с одинаковым массовым числом, но с разным зарядовым, называются изобарами.

28. Свойства ядерных сил.

Особенности ядерных сил:

29. Радиоактивность. Альфа и бетта-распад. Правила смещения.

Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц. Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Радиоактивное излучение имеет сложный состав. В магнитном поле узкий пучок радиоактивного излучения расщепляется на три компонента:

-частицы – поток ядер гелия с зарядом Z =2 e и массовым числом A =4 (

). Скорость-частиц равна

м/с. Попадая в вещество-частицы активно взаимодействуют с атомами и молекулами, ионизируют и возбуждают его. Когда энергия-частицы уменьшается до теплового движения, она захватывает два электрона и превращается в атом гелия (He ). До этого она проходит путь, называемый пробегом. Из-за сильного взаимодействия с веществом пробег малый. Лист бумаги или одежда задерживают -частицы. Лист алюминия толщиной 0,05 мм также задерживает-частицы. Ионизирующая способность-частиц велика и равна

пар на длине пробега.

-частицы – это поток электронов, вылетающих из ядер со скоростью

м/с. Ядро испускает электрон при превращении нейтрона в протон:

где - обозначение электрона,- электронное антинейтрино.

Ионизирующая способность -частиц в сотни раз меньше, чем у-частиц, а проникающая способность больше.-излучение задерживается слоем алюминия толщиной в 2мм.

Исследование атомных ядер началось после установления следующих экспериментальных фактов: 1) открытие в 1896 году французским учёным Анри Беккерелем естественной радиоактивности; 2) открытие в 1910 году английским учёным Содди изотопии химических элементов; 3) ядерная модель атома, предложенная в 1911 году великим английским физиком Эрнестом Резерфордом.

Резерфорд, исследуя радиоактивность, пришел в 1908 году к выводу, что при радиоактивном распаде происходит превращение атомов одних химических элементов в атомы других элементов. Позже, исследуя прохождение a-частиц с энергией в несколько мегаэлектрон-вольт через тонкие пленки золота, Резерфорд открыл ядерную модель атома, после чего стало ясно, что при радиоактивности имеет место превращение ядер одних элементов в ядра других элементов.

Открытие изотопии сыграло следующую роль. Атомные веса, т.е. массы атомов химически чистых элементов, как правило, выражаются в а.е.м. числами, не очень близкими к целым. Например, атомный вес бора (В) – 10,82; Ne – 20,183; Cl – 35,457; Fe -56,85 ;… . С открытием изотопии утвердилось мнение, согласно которому химически чистый элемент представляет собой смесь изотопов, отличающихся друг от друга атомными весами. Атомные веса изотопов оказались ближе к целым числам, чем атомные веса элементов, причём тем ближе, чем легче изотоп, т.е. чем меньше его атомный вес. Это навело ученых на мысль, что ядро состоит из частиц, атомные веса которых близки к единице. Этому условию хорошо удовлетворяет ядро атома водорода – протон, атомный вес которого близок к единице (1,008). Кроме того, так как заряд протона положителен, то напрашивалась идея, что в состав ядра обязательно должны входить протоны. Другие составные частицы ядра пришлось выяснять довольно долго. Явление естественной β-активности, казалось, свидетельствовало о том, что в состав ядра входят электроны. Поэтому была предложена протонно-электронная модель ядра. Однако протонно-электронная модель оказалась несостоятельной. По этой модели спин ядра, составленного из чётного числа протонов и электронов, должен быть целым (спин протона, как и спин электрона равен ½ ħ), а на практике наблюдаются и полуцелые числа. Модель не объясняла, почему магнитный момент ядра в 2000 раз меньше магнитного момента электрона. Наконец, протонно-электронная модель оказалась в противоречии с принципом Гейзенберга. Зная размеры ядра, можно оценить величину импульса электрона, входящего в состав ядра, а следовательно, и величину его энергии. Такие оценки дают, что энергия электрона в ядре около 200 Мэв. Согласно эксперименту, энергия связи одной частицы в ядре 7 – 8 Мэв. Кроме того, энергия в 200 Мэв во много раз превышает энергию электронов, испускаемых ядром при β-распаде.

Выход из затруднения был найден после того, как в 1932 году сотрудник Резерфорда, Чадвик, открыл новую элементарную частицу – нейтрон. Масса нейтрона примерно равна массе протона, чуть превышая её, а электрический заряд равен 0. Вскоре после открытия нейтрона, в 1934 году, советским физиком Д.Д.Иваненко была высказана гипотеза о протонно-нейтронном строении ядра. Эта же гипотеза была независимо высказана Гейзенбергом.

В настоящее время протонно-нейтронная структура ядра является общепризнанной и лежит в основе современных представлений о ядре и всей ядерной физики.

По современным данным протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду электрода q p = 1,6 . 10 -19 Кл и массу покоя m p = (1,0075957 ± ±0,000001) а.е.м. = (1836,09±0,01) m e .

Нейтрон (n) - нейтральная частица с массой покоя m n = (1,008982 ± ±0,000003)а.е.м. = (1838,63 ± 0,01) m e , где 1а.е.м.= 1,667 . 10 -27 кг – 1/12 массы атома С 12 ;

m e = 9,106 . 10 -31 кг – масса покоя электрона.

В современной физике считается, что протон и нейтрон – два зарядовых состояния одной и той же частицы, которая называются нуклоном (от лат. nucleus - ядро). Итак, протон – протонное состояние нуклона, нейтрон – нейтронное состояние нуклона. Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом А.

Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где Z - зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в периодической, системе элементов Менделеева. Известные в настоящее время 107 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа ядер от Z =1 до Z = 107. Так как Z равно числу протонов в ядре, то число нейтронов в ядре равно: N = A – Z. В ядерной физике принято ядро обозначать тем же символом, что и нейтральный атом: , где Х - символ

химического элемента, Z - атомный номер (число протонов в ядре), А- массовое число (число нуклонов в ядре).

Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет в число электронов в атоме. От числа же электронов зависит их распределение по состояниям в атоме, от которого, в свою очередь, зависят химические свойства атома. Следовательно, заряд ядра определяет специфику данного химического элемента, т. е. определяет число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутри­атомного электрического поля.

Ядра с одинаковыми Z, но разными А (т. с. с разными числами нейтронов) называются изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z изобарами. Например, водород (Z = 1) имеет три изотопа; - протий (Z =1, N = 0) ; - дейтерий, (Z =1, N = 1); - тритий (Z =1, N = 2).В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют изотопы водорода), определяющимися в основном структурой электронных оболочек, которая является одинаковой для всех изотопов данного элемента.

Примером ядер-изобар могут служить ядра: , , . В настоящее время известно более 2500 ядер, отличающихся либо Z, либо A , либо тем и другим.

Резерфорд показал, что атомные ядра имеют размеры примерно 10 -14 - 10 -15 м (для сравнения, линейные размеры атома примерно 10-10 м). Радиус ядра - задается эмпирической формулой R = R 0 A 1/3 , где R 0 = (1,3÷1,7)10 -15 м. Однако при употреблении этого понятия необходимо соблюдать осторожность из-за его неоднозначности, например из-за размытости границы ядра. Объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер: ρ » 10 17 кг/м 3 .

Массовое число

Знание массового числа позволяет оценить массу ядра и атома. Если известно массовое число, то масса М атома и его ядра оценивается из следующего соотношения М ≈ А·m N , где m N ≈ 1,67·10 −27 кг - масса нуклона, то есть протона или нейтрона. Например, в состав атома алюминия-27 и его ядра входит 27 нуклонов (13 протонов и 14 нейтронов). Его масса примерно равна 27·1,67·10 −27 кг ≈ 4,5·10 −26 кг. Если необходимо получить массу ядра с большей точностью, то нужно учесть, что нуклоны в ядре связаны силами ядерного притяжения, и поэтому в соответствии с соотношением E = mc 2 масса ядра уменьшается. В массу атома также следует добавить суммарную массу электронов на орбитах вокруг ядра. Однако все эти поправки не превышают 1 %.

В левой части массовое число начального ядра равно 238, в правой части реакции - два ядра с массовыми числами 234 и 4, что в сумме даёт 238. С учётом того, что массовое число альфа-частицы (ядра гелия-4) равно 4, альфа-распад снижает массовое число распадающегося ядра на 4 единицы. Любые типы