Радиоактивные превращения

Урок: Строение атомного ядра. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра. Удельная энергия связи ядер

Наличие ядра у атома было доказано Э. Резерфордом в 1911 году. В 1913 году Г. Мозли, анализируя характеристические рентгеновские спектры, доказал, что порядковый номер элемента равен зарядовому числу ядра. В 1919 году Э. Резерфорд открыл, что протон водит в состав всех ядер. Он выполнил первую рукотворную ядерную реакцию, в которой азот бомбардировался ядрами гелия, в результате появлялся кислород и водород, образовавшийся из протона.

Было доказано, что из ядра вылетают α-, β- и γ-частицы.

Модели атомного ядра.

Протонно-электронная модель атомного ядра (Рис. 1)

Количество протонов в ядре равно массовому числу, а электроны компенсируют до зарядового числа заряд ядра.

Рис. 1. Протонно-электронная модель атомного ядра

В 1927 году Гейзенберг доказал ложность данной модели.

В 1932 году Д. Чедвик, выполняя по схеме Резерфорда реакцию с бериллием (бериллий бомбардировался α-частицами), обнаружил бериллиевое излучение. И доказал, что в этом излучении присутствует нейтральная частица – нейтрон.

Протонно-нейтронная модель атомного ядра (Рис. 2)

В ядро входят только протоны и нейтроны. Общее их количество равно массовому числу ядра, а количество протонов равно зарядовому числу.

Рис. 2. Протонно-нейтронная модель атомного ядра

С высокой точностью были измерены массы протона и нейтрона:

m_p = 1,0072764701~1,00728 а.е.м.

m_n = 1,0086649041~ 1,00866 а.е.м.

Позднее оказалось, что протон и нейтрон являются двумя состояниями частицы – нуклона (N). Были открыты реакции превращения нейтрона в протон и протона в нейтрон:

где: – позитрон.

По современным представлениям, ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов = Z, число нейтронов = M-Z, число нуклонов = М.

У разных изотопов разное массовое число.

Изотопы – это элементы одинакового обозначения, имеющие одинаковый заряд, но разное количеством нуклонов.

Ядерные изобары – разные элементы с одинаковым количеством нуклонов.

Между протонами в ядре существуют особые сильные взаимодействия на расстояниях примерно 10^-15 метра. Между нуклонами, составляющими ядро, взаимодействия одинаковы. И это взаимодействие осуществляется пионами. Радиус действия: r_π~ 1,41*10^-15м = 1,41 Ф.

Плотность ядерного вещества: ρ_я~10¹⁷ кг/м³.

Эффективный размер атомных ядер: R=a* .

Существуют магические числа: 2, 8, 20, 28, 50 82 и 126. Если число протонов или нейтронов, или и того и того вместе соответствует какому-нибудь магическому числу, то это ядро является устойчивым образованием. Если не соответствует, то ядро является неустойчивым и возможен его распад.

Дефект масс.

а.е.м. – это 1/12 часть изотопа углерода .

Масса всего атома углерода составляет 12 а.е.м. Ядро состоит из 12 нуклонов, а каждый из них имеет массу большую, чем 1 а.е.м.:

m_n ~1,00866 а.е.м.

m_p~1,00728 а.е.м.

Если сложить массу всех нуклонов, которые содержатся в ядре:

6* m_p+ 6* m_n = 6*1,00728+6*1,00866 = 12,09546 > 12

Это связано с тем, что при объединении нуклонов в ядро, происходит выделение энергии. Это выделение энергии приводит к уменьшению общей массы. Так получается дефект масс (Δm).

Δm = Z* m_p+(M-Z)* m_n- m_я

m_я = m_атома – Z* m_e, где m_e= 0,00055 а.е.м.

Δm = Z* m_p+(M-Z)* m_n- m_атома + Z* m_e

Зная дефект масс, можно вычислить энергию связи атомного ядра:

E_св = Δm*с² [Дж]=931* Δm [МэВ]

с – скорость света

Пример №1

^_ Z = 6, M – Z = 6

Δm = 6*1,00783+6*1,00866-12 = 0,09894 а.е.м.

E_св = 931*0,09894 = 92,1 МэВ – столько энергии выделяется при образовании ядра атома углерода.

1[МэВ]=1,6 *10^-13[Дж]

Удельная энергия связи – это энергия связи ядра, рассчитанная на 1 нуклон. Для разных ядер она имеет разные значения.

Два способа получения ядерной энергии:

1. Синтез легких ядер (осуществляется на Солнце).

2. Деление тяжелых ядер.

I. Сегодня на уроке мы это узнаем (Слайд №2) Для того чтобы стало понятно, что такое радиоактивность нужно вспомнить некоторые вопросы, которые мы уже изучили ранее на уроках физики. Что происходит с заряженной частицей, влетевшей в магнитное поле? (на неё действует сила Лоренца, формула силы Лоренца) Как определить направление силы Лоренца? (по правилу левой руки) (Слайд №3) Каково строение атомного ядра? (ядра всех химических элементов состоят из нуклонов: протонов и нейтронов) Чему равно число протонов в ядре? (порядковый номер в таблице Менделеева) Как условно обозначаются ядра химических элементов?

Z – зарядовое число, которое показывает число протонов в ядре (порядковый номер в таблице Менделеева) А - массовое число, которое показывает число нуклонов в ядре A = N + Z, где N – число нейтронов в ядре (Слайд №4) II. Изучение нового материала 1) История открытия радиоактивности Изучая соли урана, французский учёный Анри Беккерель сделал вывод, что соли урана самопроизвольно, без влияния внешних факторов создают какое-то излучение. 26-27 февраля 1896 года Беккерель приготовил несколько образцов кристаллов и прикрепил их к завернутым в бумагу фотопластинкам. Однако в эти дни стояла пасмурная погода, и Беккерель решил отложить опыт. Он считал, что ему необходим яркий солнечный свет. Пластинки были спрятаны в ящик стола и пролежали там около трех дней. Лишь 1 марта, Беккерель решил их проявить, ожидая в лучшем случае, увидеть слабые изображения. Но все оказалось наоборот: изображения были очень четкими. Таким образом, какое-то излучение испускалось солями урана безо всякого освещения светом. (Слайды №5,6) Беккерель продолжил исследования солей урана, однако он не понимал природы этого излучения. Однажды, демонстрируя своему гостю излучение урановых образцов, он задал ему вопрос в виде просьбы:«Ведь вы физик и химик одновременно. Проверьте, нет ли в этих излучающих телах примесей, которые могли бы играть особенную роль».И этот вопрос стал научной программой исследований молодой четы: Пьера Кюри (1859 – 1906) и его жены Марии Склодовской-Кюри (1867 – 1934). Двумя годами позднее, супруги Пьер и Мария Кюри, доказали, что аналогичным свойством обладает химический элемент торий Th-232. Затем они же открыли новые, ранее неизвестные элементы – полоний Po-209 и радий Ra-226. Радий – редкий элемент; чтобы получить 1 грамм чистого радия, надо переработать не менее 5 тонн урановой руды; его радиоактивность в несколько миллионов раз выше радиоактивности урана. Впоследствии было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными. Супруги Кюри, явление самопроизвольного излучения назвали радиоактивностью. (Слайд №7) 2) Физическая природа радиоактивности и виды радиоактивных излучений. По ходу изучения нового материала учащиеся самостоятельно заполняют таблицу (слайд № 8): Излучение Заряд Свойства излучений Природа α       β       γ         Какова физическая природа и свойства радиоактивных излучений? Английский физик Эрнест Резерфорд проводит эксперименты по изучению радиоактивного излучения (Слайд №9) Схема опытов Резерфорда по исследованию радиоактивного излучения (Слайд №10), демонстрация видеофайла, демонстрирующего опыты по исследованию радиоактивного излучения в магнитном поле (видеофайл запускается кнопкой “Play” в окне видеофайла) (Слайд № 11) В магнитном поле пучок излучения распадался на 3 пучка. Две составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны. Как это можно объяснить? Это определенно указывало на наличие у этих составляющих электрических зарядов противоположных знаков, то есть эти составляющие представляют поток положительных и отрицательных частиц (Сила Лоренца, правило левой руки). Отрицательная компонента излучения отклонялась магнитным полем гораздо больше, чем положительная. Как это можно объяснить? Либо разная величина заряда частиц, либо разная скорость движения (формула силы Лоренца). Третья составляющая не отклонялась магнитным полем. Как это можно объяснить? Эта составляющая нейтральна, то есть не является потоком заряженных частиц. Положительно заряженная компонента получило название альфа-лучей, отрицательно заряженная – бета-лучи и нейтральная – гамма-лучи (Слайд №12) Демонстрация флэш-анимации об изучении состава радиоактивных излучений (анимация запускается автоматически с началом демонстрации слайда) (Слайд №13) Эти три вида излучения очень сильно отличаются друг от друга по проникающей способности, т.е. по тому, насколько интенсивно они поглощаются различными веществами.Демонстрация флэш-анимации и иллюстрации о проникающей способности радиоактивных излучений (анимация запускается автоматически с началом демонстрации слайда) (Слайды №14, 15) Дальнейшие исследования радиоактивного излучения позволили выяснить природу этих видов излучения: Альфа-излучение – это поток положительно заряженных α-частиц (ядер гелия ), летящих со скоростью 14000-2000 км/с (Слайд № 16) Бета-излучение – это поток электронов, летящих со скоростью близкой к скорости света (0,999с) (Слайд № 17) Гамма-излучение — электромагнитное излучение с длиной волны менее 10-10 м, имеющее ярко выраженные корпускулярные свойства, то есть являющееся потоком γ-квантов (Слайд № 18) Проверка заполнения таблицы свойств радиоактивных излучений (Слайд №19)

Радиоактивные превращения

В чём же заключается физическая сущность явления радиоактивности?

Для ответа на этот вопрос необходимо исследовать само радиоактивное вещество.

Что же происходит с радиоактивным веществом?
Уже самые первые опыты, проделанные Резерфордом совместно с английским ученым Ф. Содди, убедили их, что при радиоактивном распаде происходит превращение одних химических элементов в другие.
Цепочки превращений испытали радиоактивные элементы: актиний, торий, уран. Общий вывод, к которому пришли ученые, сформировал Резерфорд:

радиоактивность - самопроизвольное превращение ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов, сопровождаемое испусканием различных частиц или ядер.
Радиоактивные превращения ядер бывают различных типов: α-распад, β-распад, эти превращения подчиняются правилу смещения, сформулированному впервые английским ученым Ф. Содди. (Слайд № 20)
α – распад: Ядро теряет положительный заряд 2ē и масса его убывает на 4 а.е.м. Элемент смещается на 2 клетки к началу периодической системы.

^A_ZХ α → ^A-4_Z-2Y + ⁴₂He (Слайд № 21)

β – распад: из ядра вылетает электрон, заряд увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной. Элемент смещается на 1 клетку к концу периодической системы.

^A_ZХ β → ^A_Z+1Y + ⁰_-1e

Проблемная ситуация. Вопрос к классу: Если вы внимательно следите за моими рассуждениями, то должны мне задать вопрос. (Как же из ядра вылетают электроны, если их там нет?!!!)

Ответ: приβ – распаде нейтрон превращается в протон с испусканием электрона
¹₀n → ¹₁p + ⁰_-1e+ υ (υ - антинейтрино) (Слайд № 22)

γ – излучение не сопровождается изменением заряда, масса же ядра меняется ничтожно мало, так как излучаемые фотоны не имеют заряда и их масса ничтожно мала (Слайд № 23)

Демонстрация видеофайла с компьютерной модельюальфа-распада и бета-распада(видеофайл запускается кнопкой “Play” в окне видеофайла) (Слайд № 24)

IV Домашнее задание.

Выполнение двух упражнений на применение правила смещения с использованием компьютерной модели периодической таблицыМенделеева(файлMENDEL.exe) (Слайд № 25)

Самостоятельное решение задач с использованием таблицы Менделеева (Слайд № 26). Для проверки правильности решения отдельные учащиеся решают задачи у доски.

Задача 1: Изотоп тория ²³⁰₉₀Th испускает α-частицу. Какой элемент при этом образуется?
Решение: ²³⁰₉₀Th α → ²²⁶₉₈Ra + ⁴₂He
Задача 2: Изотоп тория ²³⁰₉₀Th испускает β-радиоактивен. Какой элемент при этом образуется?
Решение: ²³⁰₉₀Th β → ²³⁰₉₁Рa + 0-1e
Задача 3: В какой элемент превращения уран ²³⁹₉₂U после двух β – распадов и одного α – распада?
Решение: ²³⁹₉₂U β → ²³⁹₉₃Np β → ²³⁹₉₄Pu α → ²³⁵₉₂U