Урок по теме Состав атомного ядра. Изотопы. Ядерные силы

Состав атомного ядра. Изотопы. Ядерные силы

Цели урока: сформировать представление о протонно-нейтронной модели ядра и новом виде взаимодействия – ядерном; сравнить элементарные частицы – протон и нейтрон;  ввести понятия «зарядовое число», «массовое число», «нуклоны», «изотопы», «атомная единица массы»; сравнить ядерные силы с гравитационными и электромагнитными; научить определять состав атома.

Задание: Составить конспект урока, где отразить:

1        новые понятия;

2        новые обозначения;

3        новые формулы;

4        фамилии ученых, которые внесли вклад в изучение ядерной физики;

5        основные даты и события.

Слайд № 1

Хочу начать сегодняшний урок со слов поэта Степана Щипачева. У него есть замечательное стихотворение, которое называется «Читая Менделеева».

Другого ничего в природе нет…

Ни здесь, ни там - в космических глубинах.

Все — от песчинок малых до планет —

Из элементов состоит единых.

Как вы думаете, о каких элементах говорил  поэт в этом стихотворении?

Атомы и молекулы

Что же такое атом?

А́том (от др.-греч. — неделимый) — наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Какова структура атома?

Слайд № 2

         Атом состоит из ядра и электронов (отрицательно заряженные электроны обращаются вокруг ядра по круговым орбитам на расстояниях примерно 10^-10м; размеры ядра очень малы 10^-14-10^-15м, но в нём заключена практически вся масса атома (~99,4%)).

Кем и когда была предложена данная модель?

Слайд № 3

Эрнестом Резерфордом в 1911 году

Слайд № 4

Сегодня мы с вами поговорим о сердцевине материи, о том, в чем расположена почти вся масса вещества. Как вы думаете, какова тема сегодняшнего урока.

Состав атомного ядра

Когда вы занимались химией то, сколько слов было сказано о свойствах вещества. А это ведь были свойства электронных оболочек. Как эти оболочки перекрываются друг с другом, как атомы и молекулы взаимодействуют.

А внутри этих атомных оболочек, под их покровом, в маленьких, маленьких ядрышках, покоилась почти вся масса окружающего мира.

Если попробовать по аналогии провести сравнение с чем-нибудь «вкусненьким», как это было сделано с моделью Томсона. То атом по Резерфорду – это вспененные сливки, а внутри плотный шоколадный шарик.

Когда мы разговариваем о химии, мы игнорируем понятие ядра. А ведь это очень мощная вещь. Судите сами масса протона или нейтрона почти в 2000 раз больше массы электрона.

Как же научный мир узнал о существовании этих массивных частиц? Удивительная история случилась в самом начале 20 века.

Слайд № 5

ФРАГМЕНТ 1

Слайд № 6

Запись обозначений протона и его характеристик.

Для удобства измерения в физике введена атомная единица массы (а. е. м.), примерно равная массе одного нуклона: 1 а. е. м. = 1,6605·10^–27 кг.

Слайд № 7

Тем не менее, очень скоро стало ясно, что ядра не состоят только из протонов. Дело в том, что это противоречило опытным данным.

ФРАГМЕНТ 2

Слайд № 8

В 1930 году Вальтер Боте и его студент Герберт Беккер обнаружили, что при бомбардировке альфа частицами ядра атома бериллия, из ядра исходит какое-то неизвестное излучение. Сначала было выдвинуто предположение о том, что это гамма лучи, поскольку они имели высокую проникающую способность, и не отклонялись в электромагнитных полях. Однако от этой идеи пришлось отказаться. Поскольку данное излучение обладало слишком большой энергией для гамма-лучей.

Слайд № 9

В 1932 году изучением нового излучения занялся ученик Резерфорда Джеймс Чедвик.

ФРАГМЕНТ 3

Слайд № 10

Запись обозначений нейтрона и его характеристики.

Слайд № 11

Давайте повторим, из чего состоит ядро атома. Дополните схему «Строение атома»

Слайд № 12

Практически сразу после открытия нейтрона физиками Дмитрием Иваненко, Евгением Никитичем Гапоном, Вернером Гейзенбергом и Этторе Майораном была предложена протонно-нейтронная модель ядра. Работая, независимо друг от друга они пришли к выводу, что ядра атомов всех элементов состоят из двух видов частиц протонов и нейтронов. Эти частицы стали называть нуклонами.

Слайд № 13

Как же определить состав ядра любого химического элемента?

Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом, поскольку это число определяет массу ядра. Обозначают массовое число буквой А (округленная до целого числа атомная масса элемента)

Число протонов в ядре называется зарядовым числом, поскольку это число определяет заряд ядра. Зарядовое число обозначается буквой Z (порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева).

Нетрудно догадаться, что число нейтронов в ядре равно разности общего числа нуклонов и протонов N = A – Z.

И так в общем случае. Ядро любого химического элемента обозначается следующим образом

 - обозначение ядра, где Х- обозначение химического элемента.

Слайд № 14

Для примера рассмотрим атом натрия.

Какой порядковый номер имеет натрий в таблице Менделеева? 11.

Это и есть зарядовое число.

Следовательно,  сколько в ядре натрия содержится  протонов?    11.

Атом в целом электрически нейтрален

Что мы можем сказать об электронах,  содержащихся в атоме?    11.

Какова масса натрия в таблице Менделеева? 23.

Сколько нуклонов  содержится в ядре натрия?         23.

Сколько из них нейтронов?                     12.

Слайд № 15

Заполните таблицу

Название вещества	Символ	Массовое число, А	Зарядовое число, Z	Число нейтронов,  N
гелий	He	4	2	2
медь	Cu	64	29	35
литий	Li	7	3	4
германий	Ge	73	32	41
неон	Ne	20	10	10
фтор	F	19	9	10

Слайд № 16

Если ядро состоит из целого числа нуклонов, то почему же атомная масса всех элементов не является целым числом?

Необходимо отметить, что существуют атомы, которые ничем не отличаются друг от друга по своим химическим свойствам, но обладают различным массовым числом.

Впервые на существование таких атомов обратил внимание Фредерик Содди, который работал вместе с Резерфордом. Содди предложил называть такие атомы изотопами. С помощью опытов было установлено, что изотопы одинаково вступают в химические реакции и образуют одинаковые соединения. Это говорило о том, что число электронов в электронных оболочках, а значит и заряд ядра, у изотопов одинаковы. Стало быть, в ядрах изотопов содержалось различное число нейтронов.

Слайд № 17

На сегодняшний день найдены изотопы всех химических элементов. Например, водород имеет три изотопа.

Ядро протия состоит только из одного протона. Это самый распространенный изотоп водорода. Ядро дейтерия включает в себя один протон и один нейтрон. Наконец, ядро трития содержит один протон и два нейтрона.

Другие химические элементы могут иметь значительно больше изотопов. Например, у урана их насчитывается 26. Наиболее распространенные – это уран 235 и уран 238. Поскольку зарядовое число у изотопов одинаково, следует упоминать только массовое число, чтобы понять о каком изотопе идет речь.

Так почему же в таблице Менделеева атомные массы – это дробные числа?

Атомная масса химического элемента  является средневзвешенной атомной массой всех стабильных изотопов данного химического элемента с учётом их природной распространённости в земной коре и атмосфере. Именно эта атомная масса представлена в периодической таблице Д. И. Менделеева.

Например, водород имеет три изотопа с массовыми числами 1, 2 или 3. Но протий распространен гораздо больше. Его содержание в природе составляет почти 99, 9885%. Поэтому в таблице Д. И. Менделеева масса водород практически равна 1.

Слайд № 18

А теперь давайте зададимся важнейшим вопросом: Как же ядра многих изотопов остаются стабильными?  Что удерживает нуклоны в ядре?

Чтобы ответить на поставленный вопрос вспомним ранее изученный материал.

Между всеми телами имеющими массу существует взаимное притяжение. Сила тяготения рассчитывается по закону всемирного тяготения.

Протоны, входящие в состав ядра обладают положительным зарядом, а значит, между ними возникает отталкивание, к тому же сила электрического отталкивания в 1039 раз больше чем сила гравитационного притяжения.

Только из этого факта можно сделать вывод, что между частицами входящими в состав ядра возникает взаимодействие еще более сильное, чем электрическое, иначе протоны, входящие в состав ядра разлетелись с огромной скоростью.

Слайд № 19

Силы, удерживающие нуклоны в ядре называются ядерные силы.

Нетрудно догадаться, что раз протоны не разлетаются в разные стороны, значит ядерные силы значительно мощнее, чем электростатические силы отталкивания. Силы  электрического отталкивания приблизительно в 100 раз меньше ядерных.  

Но ядерные силы действуют на очень малом расстоянии, то есть в пределах атомного ядра. Взаимодействие с помощью таких сил называется сильным или ядерным. Виды взаимодействий мы проходили с вами в начале этого учебного года.

Силы не являются центральными, то есть не действуют вдоль прямой, соединяющей частицы.

Кроме того, ядерные силы не зависят от величины заряда частиц, поскольку они действуют и на незаряженные частицы – нейтроны

Взаимодействуют с ограниченным числом нуклонов.

Слайд 20.

Закрепление материала

1. Составьте вопросы к кроссворду. 1 вариант –   к словам расположенным по горизонтали, 2 вариант – к словам расположенным по вертикали.

1

3

4

2

и

в

а

н

е

н

к

о

н

з

5

ч

е

д

в

и

к

у

10

п

р

о

т

и

й

8

к

6

т

т

п

л

я

о

7

р

е

з

е

р

ф

о

р

д

п

о

о

н

р

н

т

о

9

с

о

д

д

и

н

Слайд 21.

2. Вопросы к уроку

1. Верно ли, что

ž  число нейтронов в ядре всегда  равно числу протонов

ž  число электронов в атоме всегда равно числу протонов

ž  число электронов в атоме всегда равно числу  нейтронов

2. Верно ли, что

ž  зарядовое число равно числу нейтронов в ядре

ž  зарядовое число равно числу протонов в ядре

ž  зарядовое число равно числу электронов в атоме

3. Верно ли, что

ž  массовое число равно сумме  масс протонов, содержащихся в ядре

ž  массовое число равно сумме  масс протонов и нейтронов, содержащихся в ядре

ž  массовое число равно сумме  масс протонов, нейтронов и электронов

Слайд 22.

3. Ответьте на вопросы.

1.	В ядре атома железа содержится 56 частиц. Вокруг ядра движется 26 электронов. Какой состав имеет  ядро атома железа?
2.	Чем отличаются атомы разных химических элементов?
3.	Число каких частиц в атоме не влияет на его химические свойства? Почему?
4.	Размер чего больше: протона или атома водорода? Во сколько раз?
5.	Какая из строчек таблицы правильно отражает структуру ядра ?

	- число протонов	- число нейтронов
1)	48	68
2)	48	20
3)	20	48
4)	20	28

Слайд 23

Домашнее задание

1. Прочитайте § 23 стр. 104 и стр. 106 «Изотопы».

2. Составить и оформить в программе Word кроссворд  или сканворд (минимум 10 слов) с использованием слов или фотографий по теме «Термины ядерной физики», «Ученые и их открытия».

3. Ответить на вопрос: сколько нуклонов, протонов и нейтронов содержится в ядрах следующих элементов:

    ₈O¹⁶   ₃Li⁷   ₆C¹²   ₇N¹⁴   ₉F¹⁹   ₁₃Al²⁷     ₉₂U²³⁵    ₈₂Pb²⁰⁷

Пример:

4. Чем отличаются следующие элементы

₈О¹⁷  и   ₈О¹⁶                      ₉₂U²³⁵   и    ₉₂U²³⁹

Слайд  24.

«Величайшим достижением человеческого гения является то, что человек может понять вещи, которые он уже не в силах вообразить».

Лев Давидович Ландау, Советский физик-теоретик, академик АН СССР, лауреат Нобелевской премии по физике (1962).

• 1 слайд

  Другого ничего в природе нет…
  Ни здесь, ни там - в космических глубинах.
  Все — от песчинок малых
  до планет —
  Из элементов состоит единых.
  
  «Читая Менделеева»
  Степан Щипачев
  

• 2 слайд

  Строение атома
  10-10м
  10-14-10-15м
  В ядре сконцентрировано
  ≈99,96%
  всей массы атома.
  ρ = 270.000.000.000.000.000 кг/м³
  ядро
  электроны
  

• 3 слайд

  Модель атома Резерфорда (1911 г.)
  

• 4 слайд

  Состав атомного ядра.
  
  
  
  
  Ядерные силы
  

• 5 слайд

• 6 слайд

  К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α-частиц,
  
  Ф – металлическая фольга,
  
  Э – экран, покрытый сульфидом цинка,
  
  М – микроскоп
  Схема опыта Э. Резерфорда по обнаружению протонов
  в продуктах расщепления ядер
  (1919)
  p = 1,60217733·10–19 Кл
  mp = 1,67262∙10–27 кг=1,007276  а. е. м.
  1 а. е. м. = 1,66057·10–27 кг.
  

• 7 слайд

• 8 слайд

• 9 слайд

• 10 слайд

  Дж. Чедвик
  Схема установки для обнаружения нейтронов
  масса нейтрона
  mn = 1,67493∙10–27 кг = 1,008665 а. е. м.
  Открытие нейтрона 1932 г.
  
  

• 11 слайд

  Строение атома
  Атом
  Ядро
  
  
  
  Электроны
  Атом
  Ядро
  Протоны
  Нейтроны
  Другие частицы
  Электроны
  

• 12 слайд

  Протонно - нейтронная модель строения атомного ядра.
  

• 13 слайд

  Состав ядра любого химического элемента
  

• 14 слайд

  Алгоритм для определения в атоме количества электронов, протонов и нейтронов.
  

• 15 слайд

  Заполните таблицу:
  Проверка:
  

• 16 слайд

• 17 слайд

  Водород имеет изотопы:
  
  - обычный водород или протий (ядро – протон) – стабилен (99, 9885%).
  
  
  - тяжелый водород или дейтерий (ядро – дейтрон – 1р и 1n) – стабилен;
  
  - тритий (ядро – тритон – 1р и 2n) – радиоактивен.
  
  

• 18 слайд

  Протон: р,
  время жизни 10³¹ лет,
  mp = 1836,2me,
  qp = +e
  
  Нейтрон: n,
  время жизни вне ядра 15 мин,
  mn=1838,7me,
  qn=0.
  

• 19 слайд

  Свойства ядерных сил:
  силы притяжения;
  во много раз больше кулоновских сил;
  короткодействующие (r ≈ 22·10-15 м);
  не являются центральными;
  не зависят от наличия заряда;
  взаимодействуют с ограниченным числом нуклонов.
  

• 20 слайд

  Составьте вопросы к кроссворду.
  1 вариант - к словам расположенным по горизонтали,
  2 вариант - к словам расположенным по вертикали.
  

• 21 слайд

  Вопросы к уроку
  1. Верно ли, что
  число нейтронов в ядре всегда равно числу протонов
  число электронов в атоме всегда равно числу протонов
  число электронов в атоме всегда равно числу нейтронов
  
  2. Верно ли, что
  зарядовое число равно числу нейтронов в ядре
  зарядовое число равно числу протонов в ядре
  зарядовое число равно числу электронов в атоме
  
  3. Верно ли, что
  массовое число равно сумме масс протонов, содержащихся в ядре
  массовое число равно сумме масс протонов и нейтронов, содержащихся в ядре
  массовое число равно сумме масс протонов, нейтронов и электронов
  
  
  

• 22 слайд

  Вопросы к уроку
  

• 23 слайд

  1. Прочитайте § 23 стр. 104 и стр. 106 «Изотопы».
  2. Составить и оформить в программе Word кроссворд или сканворд (минимум 10 слов) с использованием слов или фотографий по теме «Термины ядерной физики», «Ученые и их открытия».
  Домашнее задание
  3. Ответить на вопрос: сколько нуклонов, протонов и нейтронов содержится в ядрах следующих элементов:
  8O16 3Li7 6C12 7N14 9F19 13Al27 92U235 82Pb207
  Пример:
  
  
  
  
  
  4. Чем отличаются следующие элементы
  8О17 и 8О16 92U235 и 92U239
  

• 24 слайд

  Величайшим достижением человеческого гения является то, что человек может понять вещи, которые он уже не в силах вообразить. 
  Лев Давидович Ландау
  Советский физик-теоретик, академик АН СССР, лауреат Нобелевской премии по физике (1962).