Цели  урока:

а) Обучающая: изучение радиоактивности

б) Воспитательная: положительного отношения к знаниям; воспитание дисциплинированности

в) Развивающая: развитие мышления (классифицировать факты, делать обобщающие выводы и т. д.); развитие познавательных умений (формирование умений выделять главное, конспект, наблюдать); развитие умения владеть собой

Задачи  урока:

Изучить планетарную модель атомов, процесс радиоактивного распада

Обеспечение урока:

«Физика 9» (авторы Исаченкова Л.А., Пальчик Г.В. и др.)

Ход урока:

1. Организационный момент – 1 мин

2. Проверка домашнего задания – 10 мин

3. Объяснение нового материала – 15 мин

4. Решение задач – 12 мин

5. Физкультурная минутка – 5 мин

6. Домашнее задание – 2 мин

Домашнее задание: §9-10

Конспект урока:

Более 100 лет прошло со времени одного из вели­чайших открытий в истории мировой науки — открытия явления радиоактивности (1896 г.), автором которого является французский ученый А. Беккерель(рис. 52). Открытие радиоактивности дало возможность получить важные сведения о структуре атома и ядра, а также разработать новые способы получения энергии.

Строение атома

Ранее Вы  ознакомились со строением атома. Английский ученый Э. Резерфорд на основании результатов опытов (1911 г.) предложил планетарную модель атома (рис. 53).

Согласно этой модели атом состоит из ядра, вокруг которого, подобно планетам вокруг Солнца, движутся электроны. Заряд электрона отрицательный элементарный:

q_e=-l,6∙10^-19 Кл

Диаметр атома примерно в 10⁴ раз больше диаметра крошечного ядра.

А что представляет собой ядро атома? Так как атом электронейтрален, то ядро должно иметь положительный заряд, равный абсолютному значению суммарного заряда всех электронов атома. Носителями положительного заряда в ядре являются протоны. Протон (обозначается р) был обнаружен в 1919 г., он имеет положительный элементарный заряд:

q_p = + 1,6 ∙10^-19Кл

Число протонов в ядре электронейтрального атома равно числу электронов в атоме. Масса протона в 1840 раз больше массы электрона. 

В 1932 г. была открыта еще одна частица — нейтрона (обозначается n).

Масса нейтрона лишь незначительно отличается от массы протона: m_п = m_р.

Нейтрон не имеет заряда: q_n = 0.

Нейтроны находятся в ядре атома. Таким образом, масса атома определяется в основном массой протонов и нейтронов и сосредоточена в ядре.

Итак, модель атома такова: в центре находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а вокруг ядра движутся электроны.

Например, атом азота N (рис. 54) содержит Z=7 протонов, где число Z — атомный номер азота в таблице Менделеева (см. форзац II).

Кроме протонов, в ядре атома азота находятся 7 нейтронов. Вокруг ядра движутся 7 электронов. Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом ядра и обозначают А. Такое название это число получило потому, что оно очень близко к значению относительной атомной массы. Поэтому массовое число ядра можно определить из таблицы Менделеева, округлив до целого числа относительную атомную массу. Например, у азота (см. форзац II) она равна 14,007. Массовое число ядра азота А =14.

Ядро любого элемента X можно символически записать в виде  _z^AX. Для примера рассмотрим еще атом цезия Cs. Его атомный номер в таблице Менделеева Z = 55. Массовое число цезия A=133 есть округленное до целого числа значение относительной атомной массы. Значит, в ядре цезия находится 55 протонов и 78 (133—55) нейтронов. Вокруг ядра в нейтральном атоме движутся 55 электронов. Символически ядра цезия и азота обозначаются ₅₅¹³³Cs и  ₇¹⁴N соответственно.

В ядерной физике ядра атомов обычно называют нуклидами, а частицы ядра (протоны и нейтроны) имеют общее название — нуклоны. Обратите вни­мание, что число Z протонов в ядре определяет, какой это элемент. Например, Z = 6 означает, что это углерод. А вот число нейтронов может быть различным, а значит, различной будет и масса ядра. Атомы данного химического элемента с различной массой ядер называются изотопами, что в переводе означает «занимающие одно и то же место». Например, водород существует в виде трех изотопов (рис. 55):

₁¹Н — водород (в ядре только один протон),

₁²Н  — дей­терий (в ядре один протон и один нейтрон) и

₁³Н — тритий (в ядре 1 протон и 2 нейтрона).

Интересно отметить, что химические свойства всех изотопов одинаковы. Это и понятно, ведь химические процессы не затрагивают ядра атома, а изотопы отличаются именно составом ядра. Физические же свойства изотопов существенно различаются.

Главные выводы

1) Ядро атома состоит из протонов и нейтронов

2) Число протонов в ядре электронейтрального атома равно числу электронов в атоме

3) Все изотопы данного химического элемента содержат в ядре одинаковое число протонов, но различное число нейтронов

4) Число нуклонов в ядре равно его массовому числу

Контрольные вопросы

1) Чем отличаются частицы, входящие в состав атома ?

2) Почему масса атома в основном определяется массой его ядра ?

3) Как понимать следующие записи: ₆¹¹С, ₆¹²С, ₆¹⁴С и ₈¹⁸O ?

4) Что такое нуклоны и нуклиды?

5) Сколько нуклоном и нейтронов в ядре изотопа стронция ₃₈⁸⁸Sr?

6) Отличаются ли ядра положительного (отрицательного) иона и нейтрального атома?

7) Определите сами число протонов и нейтронов в ядрах двух изотопов урана: ₉₂²³⁵U и ₉₂²³⁸U. Cколько в них нуклонов?

Радиоактивный распад

Задумаемся над вопросом: почему ядро, содержащее заряженные частицы — протоны, отталкивающиеся друг от друга, не разлетается на части? Очевидно, кроме электрических, должны действовать другие силы, удерживающие нуклоны в ядре. Эти силы должны быть больше электрических и, естественно, больше сил тяготения. Ведь силы тяготения между нуклонами много меньше электрических.

Электрические силы, отталкивая протоны друг от друга, способствуют распаду ядра. Значит, силы, удерживающие нуклоны в ядре, имеют другую природу. Они называются ядерными силами. Современное название таких сил — сильное взаимодействие.

Ядерные силы являются очень сложными, и до сих пор в них многое не изучено. Однако сегодня известно, что они короткодействующие. Если расстояние между нуклонами превышает 10^-15м, ядерные силы быстро убывают до нуля.

Ядерные силы одинаково притягивают друг к другу как протоны, так и нейтроны.

И еще одна особенность ядерного взаимодействия: оно ослабевает, если в ядре число нейтронов слишком велико или слишком мало по сравнению с числом протонов. Такие ядра являются нестабильными, неустойчивыми и начинают распадаться, превращаясь в другие ядра.

Ядра атомов элементов с атомным номером Z > 81, как правило, нестабильны. Нестабильные ядра способны самопроизвольно распадаться. При этом испускаются заряженные частицы и излучение (рис. 56).

Нестабильные ядра называются радионуклидами. Радионуклиды, встречающиеся в природе, например радионуклиды урана ₉₂²³⁸U, тория ₉₀²³²Th и др., называются естественными. Самопроизвольное испускание частиц радионуклидами называется радиоактивностью. А самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие называется радиоактивным распадом.

В результате распада одних ядер образуются другие, которые, в свою очередь, тоже могут быть нестабильными. Они также распадаются. Так продолжается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро. В природе обнаружено всего 272 стабильных атомных ядра химических элементов. Радионуклидов же известно около 2000, многие из них получены искусственным путем, т. е. в лабораторных условиях, и называются искусственными.

Таким образом, при радиоактивном распаде одни ядра превращаются в другие. Говоря об одном ядре, совершенно невозможно предсказать, когда оно испытает распад: сию минуту, через сутки, годили тысячу лет. Но для огромной совокупности радионуклидов данного элемента характерен промежуток времени, который называется периодом полураспада (T). Период полураспада — это промежуток времени, в течение которого распадается половина имеющихся ядер. Период полураспада для различных радионуклидов Может иметь значение от доли секунды до миллиардов лет.

Например, для йода (₅₃¹³¹I) Т= 8,05 сут. Как это понимать? Если имелось, допустим, N₀ =10 000 радиоактивных ядер йода, то через T= 8,05 сут распадается 5000 ядер, останется 5000 = N₀/2

Через следующие 8,05 сут распадается половина от 5000 ядер, значит, через 2T останется 2500= N₀/4= N₀/2² ядер, через 3T— 1250= N₀/2³ и через время nТ останется N=N₀/2ⁿ ядер.

С момента аварии на Чернобыльской атомной электростанции (АЭС) радиоактивный йод (₅₃¹³¹I) уже практически распался. Что же касается других радионуклидов, например стронция ₅₃¹³¹Sr (T= 29,12 года) и цезия ₅₃¹³¹Cs (T=30,17 года), то даже в 2016 г. еще будут нераспавшимися 50 % их нуклидов, выброшенных во время аварии. Период полураспада плутония (₅₃¹³¹Pu) T = 24 390 годам, так что этот радионуклид переживет многие сотни поколений людей. Теперь вам должно быть понятно, как опасно и надолго «загрязнилась» наша территория радионуклидами в результате аварии на Чернобыльской АЭС.

Какова природа излучений, возникающих при радиоактивном распаде?

Э. Резерфордом и другими исследователями было экспериментально доказано, что эти излучения можно разделить на три вида: α-, β- и γ-излучение.

Проникающая способность α -излучения мала. Оно едва проходит сквозь лист бумаги (рис. 57). Заметно больше проникающая способность β -излучения. Оно способно пройти алюминиевую пластину толщиной до 3 мм. Наиболее сильным проникающим действием обладает γ -излучение. Оно проходит через слой свинца толщиной в несколько сантиметров.

Если поместить радиоактивное вещество в электрическое или магнитное поле, то α- и β- излучения отклоняются полем в противоположных направлениях (рис. 58), что говорит об их противоположном заряде. Действительно, исследования показали, что α-излучение состоит из ядер гелия (α-частиц), имеющих положительный заряд q_a = 2q_p. Поток электронов, несущих отрицательный заряд, представляет собой β -излучение. А вот γ -излучение не имеет заряда, поэтому в электрическом и магнитном полях оно не отклоняется.

Было обнаружено, что α-, β- и γ-излучения обладают большой энергией. Например, при распаде одного ядра плутония излучается α- частица, энергии которой хватает, чтобы ионизировать 160 000 нейтральных атомов. Поэтому излучения, возникающие при радиоактивных превращениях ядер, называются ионизирующими излучениями. Огромная энергия ионизирующих излучений и их проникающая способность делают радиоактивность опасной для человека и всего живого на Земле

Главные выводы

1) Нуклоны в ядре связаны силами ядерного взаимодействия (сильного взаимодействия).2) Чем больше нейтронов в ядре, тем менее оно стабильно.3) Превращение одних ядер в другие сопровождается α-, β- и γ-излучениями, обладающими большой энергией. 4) За период полураспада распадается половина имеющихся радионуклидов.

Контрольные вопросы

1) Почему электрические силы не могут обеспечить устойчивость ядра?

2) Меняется ли число протонов в ядре при радиоактивном распаде?

3) В чем ошибочность утверждения: за один период полураспада распадается половина ядер, другая половина распадается за второй период полураспада?

4) Чем отличаются α-, β- излучения?

5) Какое излучение наиболее опасно для человека?