обзорные лекции / МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ ЯДРА АТОМА

МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ ЯДРА АТОМА

I. В начале изложения нового матери опираются на знания учащихся, усвоенные из курса химии и базового курса физики:

1) явление радиоактивности, свидетельствующее о сложной структуре атома;

2) повторение понятий «изотопы», «массовое число», «относительная атомная масса» и т.п.;

3) протонно-нейтронная модель ядра атома Гейзенберга;

Закрепление материала осуществляется в результате заполнения таблицы:

Элемент или частица	Символ	Заряд	Число протонов	Относительная атомная масса	Массовое число	Число нейтронов	Условная запись
Протон	p	1	1	1,007276	1	0
Нейтрон	n	0	0	1,008665	1	1
Гелий	He	2	2	4,00260	4	2
Азот	N	7	7	14,0067	14	7
Кислород	O	8	8	15,9994	16	8
Натрий	Na	11	11	22,98977	23	12
Железо	Fe	26	26	55,847	56	30
Криптон	Kr	36	36	83,80	84	48
Уран	U	92	92	238,0029	238	146

Эту таблицу теперь заполните Вы.

Новыми элементами знаний при изучении строения атомного ядра являются:

1. свойства элементарных частиц – протон: m_p = 1, 007276 а.е.м., е = 1,6 ·10^-19 Кл, стабильная частица, но внутри ядра может распадаться на позитрон и нейтрино: ; нейтрон: m_n = 1, 008665 а.е.м., е = 0, квазистабильная частица (среднее время жизни 15 минут). Неустойчивость нейтрона объясняют его большой, по сравнению с протоном, массой. Нейтрон самопроизвольно распадается на протон и электрон с вылетом антинейтрино, со свойствами которой они познакомятся при изучении элементарных частиц. Процесс распада нейтрона описывается уравнением .

2. Введение современного представления о существовании лишь одной ядерной частицы – нуклона, находящейся в разных зарядовых состояниях: нейтральном (нейтрон) и заряженном (протон).

3. Введение плотности ядерного вещества: предположим, что ядро состоит из частиц примерно одинакового размера, находящихся на равных расстояниях друг от друга, так что на каждую частицу приходится один и тот же эффективный объем. При этих условиях объем ядра должен зависеть от числа нуклонов А: , где R – эффективный радиус одного нуклона. Эксперимент показал, что R≈1,5·10^-15 м. Отсюда можно вычислить плотность ядерного вещества, если предположить, что ядро – шар:

II. Энергия связи атомных ядер. Ядерные силы.

Учащиеся физмат классов могут быть знакомы с понятием дефекта масс и энергией связи ядра: энергия связи ядра равна энергии, которую нужно затратить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны без сообщения им кинетической энергии. Эта же энергия выделяется при образовании ядер.

В качестве элемента новых знаний выступает понятие удельной энергии связи (энергия, приходящаяся на один нуклон). При этом стоит показать, что среднее значение удельной энергии связи приблизительно равно 8 МэВ/нуклон.

На этом этапе учащиеся знакомятся с ядерными силами и их свойствами. План изучения ядерных сил следующий:

1. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре рано порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Так как размер ядра очень мал, а кулоновская сила обратно пропорциональна квадрату расстояния, то электростатическая сила отталкивания между протонами в ядре очень велика. Между тем ядра атомов – устойчивые образования. Следовательно, между нуклонами в ядре действуют еще и силы притяжения, которые превосходят силы кулоновского отталкивания. Эти силы и называются ядерными. Они на 2-3 порядка интенсивнее сил электростатического отталкивания протонов.

2. Ядерные силы зарядонезависимые.

3. Ядерные силы обладают свойством насыщения: каждый нуклон взаимодействует с ограниченным числом ближайших нуклонов.

4. Ядерные силы короткодействующие. При удалении протона из ядра ядерные силы перестают действовать, протон и ядро взаимодействуют между собой силой электростатического отталкивания.

5. Капельная модель ядра. В этой модели атомное ядро рассматривается как сферическая капля заряженной жидкости. Основанием для такой аналогии послужило то, что плотность ядерного вещества у всех ядер вблизи линии стабильности приблизительно одинакова, что говорит о его несжимаемости. Кроме того, с жидкостью ядерное вещество сближает и свойство насыщения ядерных сил (энергия связи ядер приблизительно пропорциональна массовому числу). В рамках капельной модели удалось объяснить многие свойства атомного ядра и получить полуэмпирическую формулу для энергии связи атомных ядер (формула Вайцзеккера), которая позволила понять некоторые закономерности в α- и β-распадах, делении ядер и грубо оценивать массы и энергии связи новых ядер

III. Радиоактивные изотопы. Ядерные реакции. Ядерный реактор

План изучения:

1. Понятие ядерной реакции. Этапы ядерной реакции.

2. Радиоактивные изотопы и их использование (конференция)

3. Деление атомных ядер. Цепная ядерная реакция. Управляемые и неуправляемые ядерные реакции.

4. Ядерный реактор: устройство и принцип действия.

5. Реакции термоядерного синтеза.

IV. Элементарные частицы.

Основная цель – повторить и обобщить сведения о свойствах элементарных частиц.

Выделяют три вида частиц:

1. Фотон – стабильная частица, не имеющая ни массы покоя ни заряда;

2. Легкие частицы – электрон и нейтрино;

3. Тяжелые частицы – протон и нейтрон.

Кроме них известно еще более 400 элементарных частиц. Из них особый интерес имеют античастицы (первая открытая – позитрон). Единственная частица, не имеющая двойника – фотон. Большинство из 400 частиц нестабильны, их время жизни порядка 10^-24 с. Учащихся знакомят с классификацией элементарных частиц.

Существование кварков с дробным зарядом (из них состоят адроны)