149677 (Ответы на вопросы к госу по МПФ), страница 10

Желательно предложить школьникам оценить кинетическую энергию альфа частицы и сравнить ее со средней кинетической энергией молекул при нормальной температуре. (больше в 10⁸ раз).

Именно поэтому альфа частицы представляют собой естественные "снаряды" для изучения структуры вещества.

Первая модель атома предложенная Томсоном в 1903 году имеет сейчас лишь историческое значение. От нее логически переходят к опыту Резерфорда.

При описании результатов опыта Резерфорда главное внимание надо уделять тому факту, что некоторое (малое) количество альфа частиц отклоняется от большинства на угол до 180⁰. Этот результат имел решающее значение для создания планетарной модели атома. Т.к. он оказался несовместимым с моделью Томсона: положительный заряд, распределенный по всему объему атома не может обеспечить силу необходимую для отклонения альфа частиц на такие большие углы.

Желательно дать учащимся почувствовать как анализ результатов опыта служит основой для высказывания определенных теоретических предсказаний о структуре атома.

С этой целью можно решить, например, задачу "Сколько атомов встретит на своем пути альфа частица, пролетая через тонкую фольгу толщиной 1 мкм". Т.к. в этом случае интерес представляет порядок величины, а не ее точное значение, то ограничиваются диаметром атома 10^-10м, поэтому число атомов, будет порядка 10⁴. Т.к. атомы золота расположены близко друг к другу (10^-10м), т.е. доказано, что многие альфа частицы пролетят не взаимодействуя с ними, следовательно, атом не является сплошным, модель Томсона не подтверждается.

Результаты опыта Резерфорда позволили сделать вывод, что масса ядра действительно велика и определяется приблизительно радиусом ядра.

Чтобы альфа частица могла повернуть назад, ее скорость у поверхности положительно заряженной сферы должна стать равной нулю, поэтому полная энергия равна потенциальной энергии взаимодействия, т.е. . Это уравнение позволило оценить величину положительного заряда атома при условии, что R=10^-8см.

Расчет дает следующий результат Q/e=400000, т.е. заряд ядра в 400000 раз больше заряда электрона.

Важно отметить, что положительный заряд атома был впервые измерен именно в опытах по рассеянию альфа частиц. Английский физик Чедвик показал, что для ряда элементов он приблизительно равен половине атомной массы. Отсюда возникает гипотеза, что величина заряда ядра равна порядковому номеру элемента в системе Менделеева, что в 1918 году было подтверждено Мозли, который с большой точностью измерил заряд ядра для многих атомов.

При описании планетарной модели атома надо обратить внимание на несовместимость такой модели с законами механики и электродинамики. Во первых длительное движение электронов по замкнутой траектории вокруг ядра с точки зрения электродинамики Максвелла невозможно, т.к. из-за потери энергии на излучение электрон тормозится и должен скоро упасть на ядро, однако атом исключительно устойчив. Во вторых в следствии непрерывной потери энергии и значения непрерывного изменения скорости электрона атом должен излучать непрерывный спектр. Однако атомы излучают линейчатые спектры. В третьих атом излучает свет не все время, а лишь при определенных условиях (прохождение через газы, нагретые до высокой температуры).

24. Методика изучения строения атома в курсе средней школы. (Квантовые постулаты Бора, линейчатые спектры, волновые свойства частиц).

25. Методика изучения главы: "Физика атомного ядра" (Состав ядра атома, энергетические связи атомных ядер, ядерные силы).

В этой главе учащиеся знакомятся с составом ядра, с взаимным превращением атомных ядер, знакомятся с ядерными силами и с физическими свойствами ядерной энергетики. Необходимо отметить, что английский ученый Чедвик в 1932 году открыл нейтрон, который был предсказан Резерфордом. Это дало возможность ученым Иваненко и Гейзенбергу предложить протонно-нейтронную модель ядра. Согласно этой модели ядро атома состоит из p и n. Массовое число [A=Z+N], Z - количество протонов, N - количество нейтронов .

При знакомстве с p-n моделью ядра необходимо решать задачи по нахождению числа p и n, входящих в состав ядра.

Необходимо ознакомить учащихся со свойствами частиц, входящих в состав ядра. О протоне: m_p=1,007276 а.е.м., e_p=1,6 10-19Кл, частица стабильная, не смотря на это при получении ротон распадается: .

О нейтроне: m_n=1,008665 а.е.м., e_n=0, частица квазистабильная, время жизни 15 минут. При распаде .

Говоря о совойствах протона и нейтрона необходимо ввести современные представления о существовании лишь одной ядерной частицы - нуклона, находящейся в разных зарядовых состояниях: нейтральном (n), заряженном (p), что дает возможность объяснять механизмы p-распада.

Интересным представляется вопрос об оценке плотности ядерного вещества. Предположим, что ядро состоит из частиц примерно одинакового размера и расположенных компактно. Если в ядре A - нуклонов, то V ядра - R₀ - эффективный радиус. R0=(1,4-1,5)10-15м, тогда плотность ..

Плотность ядер веществ всех ядер одинакова.

Энергия связи атомных ядер. Ядерные силы.

Энергия связи, удельная энергия связи - это новые понятия для учащихся, поэтому им необходимо уделять большое внимание. Для того, что бы учащиеся лучше поняли вопрос о энергии связи, необходимо повторить следующие моменты:

потенциальная энергия - это энергия взаимодействия тел (земля - тело, электрон - ядро).

Существует устойчивая система обладающая энергией связи.

Дают определение: Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны.

На основе закона сохранения энергии можно утверждать, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Затем выдвигается вопрос: "Как найти энергию связи?"

Обращают внимание, что очное измерение масс ядер показывает, что масса покоя ядра всегда меньше суммы масс покоя слагающих его протонов и нейтронов. [M_яp+Nm_n]

Существует дефект масс: .

Уменьшение массы при образовании ядра из нуклонов означает, что при этом уменьшается энергия этой системы нуклонов на величину энергии связи. .

Необходимо предложить учащимся решать ряд задач по нахождению энергии связи ядер, но для этого необходимо уточнить, что дефекту масс в 1а.е.м. соответствует энергия 931МэВ.

После этого необходимо предложить учащимся рассчитать энергию связи некоторых элементов и убедиться, что в среднем она равна 8 МэВ/кулон, например для Не, энергия вязи 27МэВ. Учитывая, что в ядре входят 4 нуклона найдем удельную энергию связи: 27/4=6,8 МэВ/нуклон. Необходимо это сделать для нескольких элементов, что позволит построить график зависимости удельной энергии связи от массового числа.

Заметим, что элементы, находящиеся в средней части периодической системы А=50..60, т.е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы, имеют максимальную удельную энергию связи 9МэВ/нуклон. Поэтому ядра всех этих элементов наиболее устойчивы.

Затем переходят к ядерным силам. Т.к. ядро весьма устойчиво, то p и n должны удерживаться внутри очень большими силами. Желательно показать учащимся те факты из которых вытекает существование ядерных сил.

План раскрытия материала:

Т.к. размер ядра очень мал, а кулон сила возрастающая пропорционально , то электростатическая сила отталкивания между протонами в ядре велика, между тем ядра атомов устойчивы, это заставляет предположить, что между нуклонами в ядре действуют другие силы - ядерные, которые способны преодолеть силы нуклонового отталкивания между протонами.

Ядерные силы зарядонезависимы, т.е. взаимодействие p с n, n c n, p c p примерно одинаковы.

Ядерные силы короткодействующие. Т.е. действуют на малых расстояниях порядка 1,5 - 2,2 10^-15.

Из того факта, что удельная энергия связи не возрастает в ядрах пропорционально числу нуклонов А, следует, что для ядерных сил характерно насыщение, т.е. каждый нуклон взаимодействует лишь с ближайшими соседями, а не со всеми А-1 нуклонами, находящимися в ядре.

26. Методика изучения главы "Физические основы атомной энергетики"

Основным средством получения радиоактивных изотопов являются ядерные реакции.

Ядерными реакциями называются изменение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

Ядерные реакции обычно протекают в два этапа:

частица "снаряд" проникает в ядро - "мишень" в результате чего образуется составное ядро, находящееся в возбужденном состоянии.

Ядро переходит в менее возбужденное состояние и испускает при этом частицы.

Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 году.

После фотографирования этой реакции в камере Вильсона была найдена скорость альфа частиц (ядра атомов гелия). Зная скорость можно вычислить энергию 39этих частиц. Она оказалась эквивалентна массе, вычисленной по формуле Эйнштейна.

Затем изучают цепную ядерную реакцию: , , , .

Уран 239 (92) является бета-радиокатализатором и в результате выброса бета частиц (быстрых электронов) Np 239 (93) является бета радиоактивным.

.

Первый атомный реактор был построен в США в 1942 году группой ученых под руководством Ферми.

Термоядерные реакции - это реакции слияния легких ядер при высокой температуре.

В таких реакциях выделяется энергия в 17,6 МэВ, что составляет примерно 3,5МэВ на нуклон.