Експериментальне вивчення структури атома

2-й семестр

ЯДЕРНА ФІЗИКА

4. Атомне ядро. Ядерна енергетика

Урок 5/52

Тема. Експериментальне вивчення структури атома

Мета уроку: дати учням знання про будову атома, ознайомити їх із планетарною моделлю атома по Резерфорду.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

План уроку

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Модель атома Томсона

До 1902 р. було проведено достатньо експериментів, що переконливо довели, що електрон є однією з основних складових

Джозеф Джон Томсон показав на основі класичної електромагнітної теорії, що розміри електрона повинні бути порядку 10-15 м. Крім того, було відомо, що розміри атомів дорівнюють кільком ангстремам (один ангстрем дорівнює 10-10 м). На цій підставі Томсон 1903 р. запропонував модель атома, відповідно до якої атоми являють собою однорідні кулі з позитивно зарядженої речовини, у якій знаходяться електрони. Сумарний заряд електронів дорівнює позитивному заряду атома. Тому атом у цілому електрично нейтральний.

Ця модель одержала назву “пудинг”, тому що електрони були вкраплені в позитивно заряджене середовище, як родзинки в пудингу.

Відхилення електрона в атомі від положення рівноваги призводить до виникнення повертальної сили. Тому електрон, виведений певним чином з положення рівноваги, здійснює коливання, а тому є джерелом електромагнітного випромінювання.

Модель Томсона здавалася привабливою з тої точки зору, що припускала наявність електронів в атомі. Однак вона проіснувала тільки до 1911 року.

2. Досліди Резерфорда

1911 р. Резерфорд запропонував своїм співробітникам експериментально перевірити переконливість моделі атома Томсона. Ідея досліду була проста. Якщо модель атома Томсона відповідає дійсності, то, пропускаючи через дуже тонку металеву плівку вузький пучок швидких a-частинок, експериментатори не повинні знайти скільки-небудь помітного відхилення цих частинок.

Резерфорд установив, що кожна?-частинка, потрапляючи на екран із сірчистого цинку, викликає спалах світла. Зазнавши розсіювання в золотій фользі, ?-частинки вдарялися потім об екран і реєструвалися за допомогою мікроскопа.

Слід було очікувати, що пучок?-частинок, проходячи через тонку фольгу, злегка розпливеться на невеликі кути. Таке розсіювання на малі кути дійсно спостерігалося, але зовсім неочікувано виявилося, що приблизно одна?-частинка з 20 000, що падають на золоту фольгу завтовшки лише 4 – 10-5 см, повертається назад у бік джерела.

Резерфорду знадобилося кілька років, щоб остаточно зрозуміти настільки несподіване розсіювання?-частинок на великі кути. Він дійшов висновку, що позитивний заряд атома зосереджений у дуже малому об’ємі в центрі атома, а не розподілений по всьому атому, як у моделі Томсона.

3. Ядерна модель атома Резерфорда

Резерфорд запропонував ядерну (“планетарну”) модель атома:

– атоми будь-якого елемента складаються з позитивно зарядженої частини, що одержала назву ядра;

– до складу ядра входять позитивно заряджені елементарні частинки – протони (пізніше було встановлено, що і нейтральні нейтрони);

– навколо ядра обертаються електрони, що утворюють так звану електронну оболонку.

Користуючись схемою, учитель може пояснити спочатку будову атома Гідрогену, що має тільки один протон і один електрон. Потім розглядаємо ядерну модель будови більш складних атомів – Гелію і Літію. Як вправу можна запропонувати розглянути будову атомів ряду більш складних елементів.

Необхідно відзначити, що атом, який втратив (чи здобув) один чи кілька електронів, уже не є нейтральним, а буде мати позитивний (чи негативний) заряд. Його називають позитивним (чи негативним) іоном.

4. Ядерні перетворення

Винайдений Резерфордом спосіб подарував ученим чудовий інструмент для вивчення властивостей атомного ядра. Можна використовувати?-частинки як “снаряди” для бомбардування атомних ядер. При спробі зруйнувати ядро можна одержати його “уламки”, що розлітаються в різні боки, і по цих “уламках” більше дізнатися про будову ядра.

Власне кажучи, тут мова йде про штучну радіоактивність. Потік?-частинок може бути використаний для штучних радіоактивних перетворень.

O Штучною радіоактивністю називають радіоактивність ізотопів, отриманих у результаті ядерних реакцій.

Штучна радіоактивність пов’язана з порушенням умови стійкості (стабільності) атомного ядра.

1919 р. Резерфорд вивчав проходження?-частинок через різні речовини. Виявилося, що під час удару?-частинок, які швидко летять, об ядра легких елементів, наприклад, Нітрогену, з них зрідка можуть вибиватися протони (ядра Гідрогену), при цьому сама?-частинка входить до складу ядра, що збільшує свій заряд на одиницю.

Таким чином, у результаті реакції

З Нітрогену утвориться інший хімічний елемент – Оксиген. Це була перша штучно проведена реакція перетворення одного елемента на іншій.

1932 року сталася найважливіша для всієї ядерної фізики подія: англійським фізиком Д. Чедвиком був відкритий нейтрон. Під час бомбардування берилію?-частинками відбувалася така реакція:

Тут 10n – символ нейтрона, заряд його дорівнює нулю, а відносна маса – одиниця.

Нейтрон – нестабільна частинка, що розпадається за час близько 15 хв. на протон, електрон і нейтрино.

Відразу ж після відкриття нейтрона видатний італійський фізик Енріко Фермі припустив, що ця частинка є ідеальним інструментом для одержання штучних радіоактивних елементів. Справді, адже позитивно заряджену?-частинку ядро відштовхує. А нейтрону, що не має заряду, легше проникнути всередину ядра. Це дозволило Е. Фермі за кілька місяців одержати більше інформації про структуру ядра, ніж за десятиліття роботи багатьох наукових колективів.

Найважливішим практичним результатом методу бомбардування ядер нейтронами стало відкриття реакції розподілу ядер урану. 1939 року було встановлено, що в результаті бомбардування ядер урану нейтронами утворюється нове нестійке ядро Урану, що ділиться на два приблизно рівних за масою уламки, що розлітаються з великою швидкістю.

Ця ядерна реакція супроводжується інтенсивним g-випромінюванням. Крім уламків і?-випромінювання, ця ядерна реакція супроводжується випромінюванням нейтронів (від 1 до 3). Породжені цією реакцією нейтрони руйнують наступні ядра Урану, потім цикл повторюється. Цей процес одержав назву ланцюгової реакції.

Ланцюгова ядерна реакція є основою для перетворення ядерної енергії на інші види енергії (теплову, електричну).

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

– Чим приваблива модель атома Томсона?

– Чому негативно заряджені частки атома не чинять помітного впливу на розсіювання?-частинок?

– Чому?-частинки не могли б розсіюватися на великі кути, якби позитивний заряд атома був розподілений по всьому об’єму?

– Як утворюються позитивні й негативні іони?

– Яке припущення (щодо складу ядер) дозволяли зробити результати дослідів щодо взаємодії а-частинок з ядром атомів різних елементів?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чому маса атома Гідрогену ненабагато відрізняється від маси протона? Чи набагато відрізняються розміри атома Гідрогену від розмірів протона?

2. На що перетвориться атом Натрію, якщо “забрати” з його ядра один протон, не змінюючи кількості електронів?

3. Що має більшу масу: атом літію чи позитивний іон літію? Атом хлору чи негативний іон хлору?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. Скільки протонів, нейтронів і електронів у позитивному іоні літію?

2. У ядрі атома Карбону міститься 12 частинок. Навколо ядра рухаються 6 електронів. Скільки в ядрі цього атома протонів і нейтронів?

3. Запишіть ядерну реакцію, що відбувається під час бомбардування ядер Бору 115В?-частинками і супроводжується вибиванням нейтронів.

Що ми дізналися на уроці

– Планетарна (ядерна) модель атома Резерфорда:

– атоми будь-якого елемента складаються з позитивно зарядженої частини, що одержала назву ядра;

– до складу ядра входять позитивно заряджені елементарні частинки – протони;

– навколо ядра обертаються електрони, що утворюють так звану електронну оболонку.

– Штучною радіоактивністю називають радіоактивність ізотопів, отриманих у результаті ядерних реакцій.

Домашнє завдання

Підр.: § 31.