21.10.2022
Уроки 15, 16
Тема. Атомне ядро. Протонно-нейтронна модель атомного ядра. Ядерні сили. Радіоактивність.
Завдання:
- Опрацювати теоретичний матеріал, нище за посиланням
- Записати конспект в зошит
- Відповісти на запитання
- Виконати завдання: розв'язати задачу
https://www.youtube.com/watch?v=EGUS-BtOaUY
https://www.youtube.com/watch?v=tqUJpTdXQBw&t=7s
https://www.youtube.com/watch?v=yncuPJOCAmU&t=1s
Протонно-нейтронна модель атомного ядра. Ядерні сили.
Уявіть собі перші теплі весняні дні та велику перерву в школі. Ледь пролунав дзвоник — і першокласники миттю розбігаються шкільним подвір'ям. Здається, немає сили, що може утримати їх разом. На перший погляд, протони в ядрі мають поводитися подібно до цих школярів — «розбігтися» в різні боки під впливом електростатичних сил відштовхування, а саме ядро має миттєво розвалитися. Але ж цього не відбувається! Логічно припустити, що є якісь інші сили, які утримують протони разом. Що це за сили?
1. Згадуємо будову ядра атома
Атомне ядро складається із частинок двох видів: протонів, які мають позитивний електричний заряд, і нейтронів, які не мають заряду. Маса протона приблизно дорівнює масі нейтрона і в 1800 разів більша за масу електрона.
Протони і нейтрони, що входять до складу ядра атома, називають нуклонами (від латин. nucleus — ядро).
Історія вивчення атомного ядра
1911 р. Англійський фізик Ернест Резерфорд (1871-1937) у досліді з розсіювання α-частинок ядрами Ауруму відкрив ядро атома.
1913 р. Англійський фізик Генрі Мозлі (1887-1915) виміряв електричні заряди атомних ядер.
1919 р. Е. Резерфорд, опромінюючи α-частинками азот, відкрив протон 11p — ядро атома Гідрогену.
1920 р. Е. Резерфорд, опромінюючи α-частинками низку елементів, виявив, що з їх ядер α-частинки теж вибивають протони. Учений дійшов висновку, що ядра атомів усіх елементів містять протони, і припустив можливість існування в атомному ядрі нейтральної частинки з масою, що приблизно дорівнює масі протона.
1932 р. Англійський фізик Джеймс Чедвік (1891-1974) під час дослідів з опромінення α-частинками берилію відкрив нейтрон 10n:
1932 р. Радянський фізик Дмитро Дмитрович Іваненко (1904-1994) і німецький фізик Вернер Карл Гейзенберґ (1901-1976) висунули гіпотезу щодо протонно-нейтронної будови ядра.
(Д. Д. Іваненко народився в Полтаві, працював у Харкові, Києві, Ленінграді (зараз Санкт-Петербург), Москві.)
Сумарну кількість протонів і нейтронів в атомі називають нуклонним (масовим) числом і позначають символом А.
Атом є електрично нейтральним: у нейтральному атомі сумарний заряд протонів у ядрі дорівнює сумарному заряду електронів. Заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона (елементарному заряду е = 1,6 • 10-19 Кл), тому в нейтральному атомі кількість протонів дорівнює кількості електронів.
Кількість протонів у ядрі називають зарядовим (протонним) числом і позначають символом Z. Порядковий номер елемента в Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва відповідає кількості протонів у ядрі, тобто зарядовому числу.
Знаючи зарядове (Z) і масове (А) числа ядра атома, можна визначити кількість нейтронів (N) у цьому ядрі: N = A - Z.
Вид атомів, який характеризується певним значенням зарядового числа та певним
значенням масового числа, називають нуклідом (рис. 39.1).
Рис. 39.1. Позначення нукліда хімічного елемента
Якщо різні нукліди мають однакове зарядове число, то їхні хімічні властивості є однаковими — нукліди належать одному хімічному елементу.
Різновиди атомів того самого хімічного елемента, ядра яких містять однакове число протонів, але різну кількість нейтронів, називають ізотопами («однакові за місцем»).
Кожний хімічний елемент має декілька ізотопів (рис. 39.2).
Рис. 39.2. Ізотопи Гідрогену, які існують у природі; е- — електрон, р+ — протон, n — нейтрон
• Скільки протонів і нейтронів містять ядра Урану 23892U і 23592U? Чи можна їх назвати ізотопами?
2. Якими є основні властивості ядерних сил
Ядра є дуже стійкими. Але яким чином у складі одного ядра і на дуже близькій відстані один від одного утримуються протони, адже однойменно заряджені частинки відштовхуються, нейтрони не мають заряду, а сили гравітаційного притягання у 1036 разів менші від сил електростатичного відштовхування?
З’ясовано, що нуклони притягуються один до одного завдяки сильній взаємодії, яка набагато сильніша за електромагнітну взаємодію. Зазначимо, що сильна взаємодія — це фундаментальна взаємодія, яка виявляється не лише як взаємодія нуклонів.
Сили, які діють між протонами й нейтронами в ядрі та забезпечують існування атомних ядер, називають ядерними силами (рис. 39.3).
Рис. 39.3. Сили взаємодії між нуклонами всередині ядра
Основні властивості ядерних сил:
- 1) це найпотужніші сили, які існують у природі, — вони у 100-1000 разів більші за електростатичні сили відштовхування двох протонів, розташованих на близькій відстані (~ 10-15 м);
- 2) є тільки силами притягання;
- 3) є близькодійними: вимірювання показали, що ядерні сили виявляються лише на відстанях, які приблизно дорівнюють розміру нуклона (~ 10-15 м);
- 4) не залежать від заряду, на однаковій відстані сили, що діють між двома протонами, між двома нейтронами або між протоном і нейтроном, є однаковими;
- 5) мають властивість насичення: нуклон виявляється здатним до ядерної взаємодії одночасно лише з невеликою кількістю розташованих поряд нуклонів.
Підбиваємо підсумки
• Ядра атомів складаються з нуклонів — протонів і нейтронів. Кількість протонів (Ζ) у ядрі атома даного елемента дорівнює порядковому номеру цього елемента в Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва, кількість нуклонів (А) дорівнює масовому числу.
• Різновиди хімічного елемента, атоми яких містять у своїх ядрах однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів, називають ізотопами даного хімічного елемента.
• У ядрі нуклони утримуються разом завдяки дії ядерних сил. Ядерні сили є близькодійними — на відстанях, більших за розмір нуклона, вони не виявляються.
Контрольні запитання:
1. Із яких частинок складається атомне ядро? 2. Як визначити кількість протонів і нейтронів у ядрі? Наведіть приклад. 3. Дайте означення нукліда. 4. Які нукліди називають ізотопами? Наведіть приклади. 5. Який тип взаємодії забезпечує утримання нуклонів у ядрі атома? 6. Дайте означення ядерних сил, назвіть їхні властивості.
Задача:
1. Визначте, скільки протонів і скільки нейтронів міститься в ядрі Флуору 199F; ядрі Телуру 12752Те; ядрі Меркурію 20180Hg.
Алхіміки Середньовіччя мріяли про філософський камінь, який перетворював би всі речовини на золото. «Сучасна алхімія» — так назвав Е. Резерфорд свою книгу про перетворення атомних ядер. Про те, які зміни відбуваються з ядром під час радіоактивного випромінювання, йтиметься в цьому параграфі.
1. Згадуємо історію відкриття радіоактивності
Історія відкриття радіоактивності почалася з відкриття рентгенівського випромінювання. Поштовхом до досліджень стало припущення, що рентгенівське випромінювання може виникати при флуоресценції деяких речовин, опромінених сонячним світлом. Такою речовиною і скористався французький фізик Анрі Антуан Беккерель (1852-1908) у лютому 1896 р. Для досліджень він випадково обрав здатну до флуоресценції маловідому сіль Урану.
Знаючи, що рентгенівські промені, на відміну від світлових, проходять крізь чорний папір, учений поклав на загорнуту в чорний папір фотопластинку крупинки уранової солі й виніс на сонячне світло. Після проявлення на фотопластинці виявилися темні плями саме в тих місцях, де лежала уранова сіль. Таким чином було з’ясовано, що уранова сіль дійсно висилає випромінювання, яке має велику проникну здатність.
Продовжити дослідження Беккерелю завадила хмарна погода, і він поклав готову до досліду фотопластинку з урановою сіллю та мідним хрестом між ними в шухляду стола. Через три дні учений вирішив проявити фотопластинку. Результат був несподіваним: на пластинці з’явився контур хреста. Тож сонячне світло було ні до чого: сіль Урану сама, без впливу зовнішніх факторів, висилає невидиме випромінювання.
Пізніше таке випромінювання назвуть радіоактивним випромінюванням; здатність речовин до радіоактивного випромінювання — радіоактивністю; нукліди, ядра яких мають таку здатність, — радіонуклідами.
Відкриття Радію
Термін радіоактивність був уведений у науку Марією Склодовською-Кюрі (1867-1934). «Чи тільки Уран висилає “промені Беккереля”?» — з пошуку відповіді на це запитання почала вона свою роботу з вивчення радіоактивності. У 1898 р. М. Склодовська-Кюрі та її чоловік П’єр Кюрі (1859-1906) відкрили два нові елементи — Радій і Полоній. Радій виявився в мільйони разів активнішим за уран, але отримати цю речовину в достатній для дослідів кількості виявилося досить складно. Знадобилося ще 4 роки копіткої роботи (майже вручну подружжям було оброблено 11 т руди!), щоб отримати крихітну пробірку радію.
За дослідження радіоактивності подружжя Кюрі разом із А. Беккерелем отримали в 1903 р. Нобелівську премію з фізики, а в 1911 р. Марія Склодовська-Кюрі одержала ще й Нобелівську премію з хімії. За всю історію тільки чотири особи ставали лауреатами Нобелівської премії двічі.
2. Природа радіоактивного випромінювання
Досліди з вивчення природи радіоактивного випромінювання показали, що різні радіонукліди можуть випромінювати промені трьох видів:
- 1) α-випромінювання — позитивно заряджені важкі частинки (ядра атомів Гелію);
- 2) β-випромінювання: β--випромінювання — негативно заряджені легкі частинки (швидкі електрони), β+-випромінювання — позитивно заряджені легкі частинки (швидкі позитрони);
- 3) γ-випромінювання — високочастотні електромагнітні хвилі.
На рис. 40.1 подано схему одного з таких дослідів: пучок радіоактивного випромінювання потрапляє спочатку в сильне магнітне поле постійного магніту, а потім на фотопластинку. Після проявлення фотопластинки на ній чітко видно три темні плями, які свідчать про те, що урановий зразок висилає промені трьох видів.
Як захиститися від радіоактивного випромінювання
Дізнавшись про викид радіоактивних речовин, слід зробити, зокрема, таке.
- 1. Сховатися в будівлі: бетонні й цегляні стіни повністю захищають від α- і β-випромінювання й добре поглинають γ-випромінювання.
- 2. Зачинити всі вікна, двері, вентиляційні ґратки.
- 3. Зняти вуличний одяг, запакувати його в поліетиленовий пакет, прийняти душ.
- 4. Герметично запакувати запас питної води, їжі.
- 5. Намагатися вживати йодомісткі продукти (горіхи, морські водорості тощо), продукти, багаті на клітковину.
3. Правила зміщення
Вивчення радіоактивності показало, що радіоактивне випромінювання є наслідком перетворень ядер атомів. Причому ці перетворення відбуваються довільно (без зовнішніх причин), їх не можна прискорити або сповільнити, вони не залежать від зовнішнього впливу, тобто на них не впливають зміни тиску і температури, дії магнітного й електричного полів, хімічні реакції, зміна освітленості тощо.
Радіоактивність — здатність ядер радіонуклідів довільно перетворюватися на ядра інших елементів із випромінюванням мікрочастинок.
Випромінюючи α- чи β-частинки, вихідне (материнське) ядро перетворюється на ядро атома іншого елемента (дочірнє ядро); α- і β-розпади можуть супроводжуватися γ-випромінюванням. Після низки експериментів було встановлено загальні правила таких перетворень — правила зміщення:
1. Під час α-розпаду кількість нуклонів у ядрі зменшується на 4, протонів — на 2, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на 2 одиниці менший від порядкового номера вихідного елемента (рис. 40.2):
Рис. 40.2. Під час α-розпаду материнське ядро спонтанно розпадається на дві частини: α-частинку і дочірнє (нове) ядро
2. Під час β--розпаду кількість нуклонів у ядрі не змінюється, а кількість протонів збільшується на 1, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на одиницю більший за порядковий номер вихідного елемента (рис. 40.3):
• Ядро якого елемента утвориться внаслідок β--розпаду ядра Радію 22888Ra?
Зверніть увагу! Під час β-розпаду окрім електрона (або позитрона) з ядра вилітає ще одна частинка — антинейтрино або нейтрино. Через дуже малу масу і відсутність заряду ці частинки дуже слабко взаємодіють із речовиною, і це утруднює їх виявлення в експерименті
Немає коментарів:
Дописати коментар