GOS / 25 Физика атомного ядра

{Нужно использовать плакат}

Резерфорд вместе с учениками осуществил серию опытов по рассеянию α-частиц, испускаемых радиоактивным препаратом. Результаты опыта противоречили модели Томсона. На основании этих опытов (1906 – 1911гг) Рез вдвинул новою модель.

В опытах Рез пучок α-частиц пронизывал металлическую фольгу, происходило взаимодействие положительно заряженных α-частиц с положительным зарядом атома. При этом возникала отталкивающая сила и появлялись рассеянные частицы.

Подавляющая часть α-частиц рассеялась в направлении пучка под малыми углами рассеивания Θ, но не значительная часть α-частиц рассеивалась под большими углами Θ. Были и такие частицы, которые рассеивались под углом Θ=180⁰.

Результаты измерений привели к выводу, что – из опыта

. . . .

Исходя из результатов этого опыта, Рез предположил планетарную модель атома. По этой модели вся масса и весь положительный заряд атома локализуется в пределах очень малого объема в центральной части атома. Чтобы оказалось возможным сильное взаимодействие между α-частицей и зарядом атома, необходимо чтобы размеры заряда были . Только тогда возможно сближение на малые расстояния и появления большой отталкивающей силы. В расчетах Рез предполагал, что взаимодействие α-частицы с ядром происходит по закону Кулона: .

Воспользуемся формулой классической механики которая приводит к выводу:

, если в микромире действует закон Кулона. p – прицельное расстояние. Выразим p: . Продифференцируем это выражение по :

Образуется коридор.

– число частиц, которые попадают коридор, – общее число частиц. Найдем , .

, где n₀ – концентрация, St – объем слоя.

;;.

Этот важный вывод можно записать в виде: .

Опыт подтвердил эту закономерность. Отсюда следует, что были подтверждены два результата: 1. Атом имеет планетарное строение. В центре атома малая по размерам, массивное, положительно заряженное ядро. На огромных расстояниях в 10 000 раз превосходящее размеры этого ядра должны находится электроны. Размер ядра . Размер атома. 2. В микромире соблюдается закон Кулона.

Так возникла планетарная или ядерная модель атома – создатель Резерфорд.

,

Под изобарами понимают ядра, принадлежащие атомам различных химических элементов, но имеющие одинаковые массовые числа.

Особенности ядерных сил:

1. ядерные силы действуют на очень малых расстояниях , т.е. они являются короткодействующими.

2. ядерные силы не зависят от электрического заряда, т.е. взаимодействие между нейтроном и протоном такое же, как и между двумя протонами и двумя нейтронами.

3. ядерные силы зависят от ориентации спина, при параллельной ориентации – более сильное взаимодействие.

4. ядерные силы нецентральные

5. ядерные силы обладают свойством насыщения

Ядерные силы – это силы мощного взаимодействия – сильное взаимодействие.

Рассмотрим свойства сильного взаимодействия с энергетической точки зрения. Введем понятие дефекта масс.

В состав ядра входят нуклоны, т.е. протоны и нейтроны, но масса нуклонов в свободном состоянии , когда между ними отсутствует взаимодействие, оказывается больше массы тех же нуклонов находящихся внутри ядра в условиях сильного взаимодействия.

Каждое ядро можно собрать из отдельных нуклонов. Для того, что бы приблизить нуклоны надо будет преодолеть Кулоновские силы отталкивания, совершить работу. В результате выделится энергия.

Под дефектом масс подразумевают разность между суммарной массой изолированных нуклонов, входящих в состав данного ядра и и массы самого ядра.

,

Этому соответствует энергия из СТО: , , . Практический интерес представляет энергии связи в расчете на 1 нуклон – . .

Опыт и расчеты приводят к зависимости, которую удобно изобразить графически:

Из приведенного графика следует важный вывод о двух возможных путях использования внутриядерной энергетики: 1. от тяжелых к средним; 2. от легких к более тяжелым.

По первому пути из тяжелого ядра получается 2 средних, эти осколки имеют не одинаковые массы, при этом выделяется энергия на нуклон 0,85 Мэв. .

Рассмотрим процессы, происходящие в ядрах с точки зрения мезонной теории. В 1935г японский ученый Юкава, высказал предположение, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах обусловлено обменными силами. Обменным взаимодействием между нуклонами посредством частиц промежуточной массы – мезонов. По оценке Юкава мезоны должны иметь массу . Такие частицы промежуточной массы были обнаружены в космических лучах в 1936г. Им было дано название μ-мезонов, сейчас они называются мюонами.

Измерения показали: . Существует два типа мюонов . Заряд μ-мезона: , спин . Эти частицы оказались неустойчивыми и распадаются по схеме: . Нейтрино в последствии было обнаружено, масса покоя =0, движется со скоростью света. . Среднее время жизни мюона .

Оказалось, что μ-мезоны слабо взаимодействуют с ядрами. Следовательно, мюон не может являться переносчиком сильного взаимодействия. В последствии в 1947г были открыты другие частицы промежуточной массы, π-мезоны, пионы. Их три типа: . , . Заряд: , . Спин . Пионы неустойчивы: , , . . Пионы это те частицы, существование которых задолго до открытия предположил Юкава.

Рассмотрим модель мезонного взаимодействия или обменного взаимодействия посредством пионов.

Нуклон испускает пион, потом захватывает его. Нуклон, протон или нейтрон, окружен π-мезонным полем, квантами которого является π-мезон, происходит непрерывное испускание пионов, при этом меняется заряд, потом восстанавливается. , .

Можно оценить радиус действия мезонного поля используя соотношение неопределенности: , более точное соотношение это . Выразим . Для образования пиона, который выбрасывается из ядра, нужна энергия: , , .

Если на расстоянии l от первого нуклона находится второй нуклон, который окружен таким же мезонным полем частицами, которого является пионы, то происходит непрерывный обмен пионами. Пионы, испущенные первым нуклоном, могут захватываться вторым нуклоном и наоборот. Захват чужих пионов и обмен обуславливает сильное взаимодействие между нуклонами и этот процесс объясняет, почему это взаимодействие оказывается короткодействующим.

,,,

Рассмотрим вопрос о доле времени растепленного или нерасщепленного состояния (магнитный момент n равняется нулю, т.к. у нейтрона нет заряда).

, х – доля времени.

– ядерный магнетон Бора.

, отсюда .

, отсюда

Методика изучения строения атома в курсе физики средней школы (явление радиоактивности, опыт Резерфорда).

Изучение строения атома начинается обычно с опыта Резерфорда и планетарной модели атома. Однако, учащиеся к этому времени еще не знают ничего о радиоактивности, поэтому в начале необходимо ознакомить школьников с видами радиоактивного излучения.

Начать изучение строения атома с явления радиоактивности целесообразно, т.к. радиоактивность - явление свидетельствующее о сложной структуре атома и дающее мощный толчок развитию атомной физики.

Рассказывая о радиоактивности, учащиеся знакомятся с основными видами радиоактивных излучений: .

Более подробно останавливаются на свойствах альфа частиц. Альфа частица представляет собой дважды ионизированные атомы гелия, их масса 4,002 а.е.м., или 6,6 10^-27кг., т.е. в 8 тысяч раз больше массы электрона, заряд альфа частицы равен 2 зарядам электрона. Скорость при радиоактивном распаде достигает 2 10⁷м/с.

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).

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: mp=1,007276 а.е.м., ep=1,6 10-19Кл, частица стабильная, не смотря на это при получении ротон распадается: . О нейтроне: mn=1,008665 а.е.м., en=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.

Современные проблемы реформирования системы образования РФ

Для любого современного общества, в т.ч. и России, одной из самых актуальных проблем является проблема образования. Сейчас она становится все серьезней и острей. Сейчас наше государство уделяет огромное внимание системе образования, выделяет ежегодно на его развитие огромные деньги. Так, эксперимент ЕГЭ обошелся стране в несколько миллиардов рублей. Кроме того, результаты ЕГЭ напрямую увязываются с финансированием обучения каждого абитуриента по так называемым государственным именным финансовым обязательствам (ГИФО). Чем выше балл сертификата ЕГЭ, тем большую сумму может получить вуз на этого студента на каждый год обучения, и наоборот. Например, в 2003 году ГИФО были следующими: 1-я категория (81-100 баллов ЕГЭ) - 12,5 тыс. руб.; 2-я категория (69-80 баллов) - 7,2 тыс. руб.; 3-я категория (53-68 баллов) - 3,0 тыс. руб.; 4-я категория (44-52 балла) - 2,0 тыс. руб.; 5-я категория (35-43 балла) - 0,7 тыс. руб. Таким образом, финансирование вузов предполагается осуществлять по результатам работы школы.

Реформирование системы образования

За основу реформирования была взята система ЕГЭ в школах, а в вузах внедряют Болонскую систему образования в соответствии с Болонским процессом, к которому присоединились многие страны Европы, в том числе и Россия. Оба эти изменения закреплены в Законе РФ от 10 июля 1992 г. № 3266-I "Об образовании". C апреля т.г. в начальной школе предполагается введение дисциплины "Основы религиозных культур и светской этики" (ОРКСЭ в рамкой которой школьник по своему выбору может заняться изучением одной из религиозных культур, основами светской этики или основами мировых религиозных культур. В свете реформирования системы образования правительство РФ планирует также к 2012 году сократить около 500 вузов и филиалов. В чем же заключаются особенности двух первых, как наиболее значимых, направлений реформирования российского образования? Рассмотрим их.

ЕГЭ – единый государственный экзамен. Он является централизованным выпускным экзаменом по всей Российский Федерации, и одновременно служит вступительным экзаменом в вузы и ссузы. Данный вид выпускных экзаменов в России начал применяться с 2001 года и с 2009 года стал единственным выпускным экзаменом во всех школах страны. Сейчас обязательными для сдачи являются два экзамена: русский и математика. Выпускники могут сдавать любое количество дополнительных экзаменов в форме ЕГЭ, их результаты не влияют на получение аттестата. В аттестат по каждому предмету выставляется среднее арифметическое оценок выпускника за последние два года обучения, независимо от результата, полученного на ЕГЭ.

Среди основных недостатков ЕГЭ можно назвать, во-первых, превращение образования из универсального в узкопрофильное – выбирая учебную дисциплину для сдачи в форме ЕГЭ выпускники сразу же должны определиться с будущей профессией. Это во многом помешает их дальнейшей переквалификации, а также затруднит поиск работы. Во-вторых, ЕГЭ не позволяет людям широко, разносторонне мыслить. Наконец, несовершенной является и сама система оценки. Как утверждают специалисты, погрешности в определении высшего и низшего бала весьма существенны.

Основными плюсами ЕГЭ можно назвать то, что он, позволяет сравнивать качество образования в разных школах и регионах, и облегчил процесс поступления в вузы, в т.ч. выпускников из периферийных регионов страны. Документы на получение образования можно подавать одновременно в несколько вузов. Если выпускник не смог поступить в этот год в вуз, то результаты сданного им ЕГЭ будут действовать и на следующий. И, наконец, если кто-то из выпускников не собирается дальше продолжать учиться, то он может ограничиться сдачей двух экзаменов, и с легкостью получить аттестат об окончании школы.

Современная реформа высшего образования закреплена в ФЗ "О высшем профессиональном и послевузовском образовании" и в соответствии с Болонским процессом, к которому Россия присоединилась в сентябре 2003 года, предполагает три ступени получения высшего профессионального образования:

Первая ступень: неполное высшее со сроком обучения 2 года.

Вторая ступень: базовое высшее (бакалавриат) со сроком обучения 4 года, дающее фундаментальную подготовку без какой-либо узкой специализации. Бакалавр вправе занимать все те должности, для которых их квалификационными требованиями предусмотрено наличие высшего образования (п.7 ст. 6 ФЗ "О высшем профессиональном и послевузовском образовании"). педагогический образование правовой воспитание

Третья ступень: "дипломированный специалист" со сроком подготовки 5 лет (ранее существовавшая модель) и "магистр" со сроком подготовки 6 лет (новая модель). Если Вы решили получить квалификацию "дипломированный специалист", то учиться надо еще 1 год, т.ч. подготовка к защите диплома в течение одного семестра. Магистратура требует обучения еще в течение двух лет и завершается защитой выпускной работы - магистерской диссертации и присвоением степени магистра.

Основными положениями Болонского процесса в числе прочих являются:

1. Принятие системы сопоставимых степеней для обеспечения возможности трудоустройства европейских граждан и повышения международной конкурентоспособности европейской системы высшего образования. Все, кто закончат бакалавриат, получают дипломы европейского образца.

2. Внедрение европейской системы перезачета зачетных единиц трудоемкости для поддержки крупномасштабной студенческой мобильности (система кредитов). Она также обеспечивает право выбора студентом изучаемых дисциплин. За основу предлагается принять ECTS (European Credit Transfer System), сделав ее накопительной системой, способной работать в рамках концепции "обучение в течение всей жизни".

3. Внедрение внутривузовских систем контроля качества образования и привлечение к внешней оценке деятельности вузов студентов и работодателей.

Однако некоторые специалисты считают, что бакалавриат дает поверхностные и узкопрофильные знания студентам, что помешает им в будущем найти хорошую работу. А такая трехуровневая система может закрыть доступ многим студентам в получении полного высшего образования, так как магистратуру планируют сделать платной, что не каждому по средствам.