2-й семестр

АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

УРОК 6/83

Тема. Ядерные силы

Цель урока: ознакомить учащихся с новым видом взаимодействия между частицами, составляющими ядро атома.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Характеристика ядерных сил

Ядерные силы являются самыми мощными из четырех известных на сегодняшний день взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное.

Поскольку ядра достаточно устойчивы, то протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра какими-то силами, причем очень значительными. Что это за силы? Наверное можно сказать, что это не гравитационные силы, которые слишком слабы. Устойчивость ядра не может быть объяснена также электромагнитными силами по той причине, что между одноименно заряженными протонами действует электрическое отталкивание. А нейтроны лишены электрического заряда.

Получается, между нуклонами в ядре действуют особые силы. Эти силы назвали ядерными.

Основные свойства ядерных сил

1). Ядерные силы являются короткодіючими. Замеры показали, что интенсивное взаимодействие между нуклонами происходит на расстояниях, которые равны размерам нуклонов. На больших расстояниях действуют только электромагнитные силы.

2). Ядерные силы являются очень мощными. Они в 1000 раз больше силы электростатического отталкивания двух протонов на близком расстоянии (примерно 10-15 м).

3). Ядерные силы являются силами притяжения. Поэтому они удерживают нуклоны внутри ядра.

4). Ядерные силы действуют между любыми нуклонами (протон протон; нейтрон нейтрон; протон нейтрон). Во всех этих случаях ядерные силы одинаковы.

5). Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое заключается в том, что нуклон оказывается способным к ядерной взаимодействия одновременно лишь с небольшим числом нуклонов-соседей.

2. Энергия связи атомного ядра

О прочности того или иного образования судят учитывая то, насколько легко или трудно разрушить его: чем сложнее его разрушить, тем оно прочнее. Но разрушить ядро - это значит разорвать связи между нуклонами, или, другими словами, выполнить работу против сил связи между ними.

В Энергию связи определяют минимальной энергией, которую нужно затратить для расщепления ядра на составляющие его - нуклоны. Значение энергии связи ядра очень сложно рассчитать теоретически, однако здесь на помощь приходит открытое Эйнштейном соотношение между массой и энергией: тело в состоянии покоя массой m имеет энергию E = mc2, где c - скорость света.

Если энергия тела изменяется на ΔE, то масса этого тела изменяется на Δm = ΔE/а2.

3. Дефект масс

Измерения масс ядер показывают, что масса покоя ядра Мя меньше, чем сумма масс покоя составляющих его нуклонов:

Разница называется дефектом масс. Дефект масс является мерой энергии связи атомного ядра. Если ΔE3B - энергия связи ядра, что выделяется при его образовании, то соответствующая ей масса характеризует уменьшение суммарной массы всех нуклонов при образовании ядра. Итак:

Чем больше протонов в ядре, т.е. чем больше заряд Ze ядра, тем сильнее кулоновское отталкивание между протонами. Поэтому, для того чтобы они не разлетались под действием кулоновских сил, требуется большее число нейтронов для стабилизации ядра. При малых Z число нейтронов N ≈ Z, а при больших Z (в ядрах тяжелых элементов) даже значительное число нейтронов в ядре (N ≈ 1,6Z) уже не может препятствовать его распаду. Последним стабильным ядром, которое имеет максимальное число протонов, является свинец (Z = 82). Для характеристики прочности ядер обычно берут энергию связи в расчете на один нуклон.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи:

В справочных таблицах обычно приводят массы нуклидов - атомов определенного химического элемента, ядра которых содержат строго определенное количество протонов (Z) и нейтронов (N).

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Как охарактеризовать прочность ядер?

2. Как зависит прочность ядер атомов от их энергии связи?

3. Почему ядро Купруму устойчиво, а ядро Урана неустойчивое?

Второй уровень

1. Что наводит нас на мысль, что в ядре, кроме электрических сил, действуют ядерные силы?

2. Почему кулоновское отталкивание протонов в легких ядрах не играет существенной роли? Можете ли вы назвать ядра, где это отталкивание вообще отсутствует?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Почему энергия связи атома Водорода 11H равна нулю?

Решения. Ядро атома Водорода состоит из одного протона.

2. Не пользуясь соответствующими таблицами, сравните энергии связи таких двух ядер: 73Li и 74Be.

3. Дефект масс ученик объяснил уменьшением масс частиц, образовавших ядро. Так ли это?

2). Учимся решать задачи

1. Определите энергию связи бериллия-9.

Решения. Ядро 94Be содержит Z = 4 протона и N = 5 нейтронов. Атом соответствующего нуклида содержит еще 4 электрона.

Воспользуемся данными справочных таблиц: масса атома Бериллия равна ma = 9,01219 а. е. м., а массы протона, нейтрона и электрона равны

Масса ядра атома m = ma - Zme, а дефект масс:

Энергия связи:

2. Определите дефект масс и энергию связи ядра атома 23592U.

3. У какого из элементов удельная энергия связи больше:

а) с массовым числом 200 и 100;

б) с массовым числом 20 и 80?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• Силы притяжения, действующие между нуклонами в ядре, называются ядерными.

• Энергия связи определяется минимальной энергией, которую нужно затратить для расщепления ядра на составляющие его - нуклоны.

• Разница называется дефектом масс.

• Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи:

Домашнее задание

1. Подр-1: § 54; подр-2: § 27 (п. 2, 3).

2. Сб.:

Рів1 № 17.9; 17.54; 17.55; 17.56.

Рів2 № 17.57; 17.58; 17.59; 17.60.