«ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ»
план-конспект занятия по физике (11 класс)

КОНСПЕКТ УРОКА ПО ТЕМЕ: «ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ»

Цели урока:

1. ознакомить учащихся с ядерными реакциями, с процессами изменения атомных ядер, превращением одних ядер в другие под действием микрочастиц.
2. подчеркнуть, что это отнюдь не химические реакции соединения и разъединения атомов элементов между собой, затрагивающие только электронные оболочки, а перестройка ядер как систем нуклонов, превращение одних химических элементов в другие.

ХОД УРОКА:

Повторение

1. Каков состав атомных ядер?

ЯДРО (атомное)– это положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточено 99,96% его массы. Радиус ядра ~10–15м, что приблизительно в сто тысяч раз меньше радиуса всего атома, определяемого размерами его электронной оболочки.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Их общее количество в ядре обозначают буквой А и называют массовым числом. Число протонов в ядре Z определяет электрический заряд ядра и совпадает с атомным номером элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Число нейтронов в ядре может быть определено как разность между массовым числом ядра и числом протонов в нем. Массовое число – это число нуклонов в ядре.

2. Как объяснить стабильность атомных ядер?

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ – это мера взаимодействия нуклонов в атомном ядре. Именно эти силы удерживают одноименно заряженные протоны в ядре, не давая им разлететься под действием электрических сил отталкивания.

3. Назовите свойства ядерных сил.

Ядерные силы обладают рядом специфических свойств:

1. Ядерные силы на 2–3 порядка интенсивнее электромагнитных.
2. Ядерные силы имеют короткодействующий характер: радиус их действия R ~10–15м (т.е. совпадает по порядку величины с радиусом атомного ядра).
3. Ядерные силы являются силами притяжения на расстояниях ~10–15м, но на существенно меньших расстояниях между нуклонами переходят в силы отталкивания.
4. Ядерные силы нецентральны; на классическом (неквантовом) языке это означает, что они направлены под некоторым углом к прямой, соединяющей взаимодействующие частицы (силы такого типа называют тензорными силами).
5. Ядерные силы обладают зарядовой независимостью, т. е. силы, действующие между нейтроном и нейтроном, между протоном и протоном, а также между нейтроном и протоном, одинаковы.
6. Ядерные силы обладают свойством насыщения: каждый нуклон в ядре притягивает к себе лишь небольшое число своих соседей, отталкивая при этом остальные частицы.
7. Наряду с обычными (парными) ядерными силами существуют и так называемые тройные (и вообще многочастичные) ядерные силы, радиус действия которых примерно вдвое меньше радиуса действия обычных парных сил. (Под тройными имеют в виду силы между тремя частицами, обращающиеся в нуль при удалении на бесконечность хотя бы одной из этих частиц)
8. Ядерные силы, по крайней мере частично, имеют обменный характер. Согласно мезонной теории ядерных сил взаимодействие между нуклонами осуществляется путем испускания и поглощения этими частицами квантов особого пионного поля – пи-мезонов. Полной законченной теории ядерных сил, которая объясняла бы и предсказывала все их свойства, пока еще не создано.

4. Что такое энергия связи ядра?

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНОГО ЯДРА – это минимальная энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. Разность между суммой масс нуклонов (протонов и нейтронов) и массой состоящего из них ядра, умноженная на квадрат скорости света в вакууме, и есть энергия связи нуклонов в ядре. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи.

5. Почему масса ядра не равна сумме масс протонов и нейтронов, входящих в него?

При образовании ядра из нуклонов происходит уменьшение энергии ядра, что сопровождается уменьшением массы, т. е. масса ядра должна быть меньше суммы масс отдельных нуклонов, образующих это ядро.

6. Что такое радиоактивность?

2. ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА.

ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры A (a, b) B или А + а → В + b.

Что общего и в чем различие ядерной реакции и радиоактивного распада?

Общим признаком ядерной реакции и радиоактивного распада является превращение одного атомного ядра в другое.

Но радиоактивный распад происходит самопроизвольно, без внешнего воздействия, а ядерная реакциявызывается воздействием бомбардирующей частицы.

Виды ядерных реакций:

• через стадию образования составного ядра;
• прямая ядерная реакция (энергия больше 10 МэВ);
• под действием различных частиц: протонов, нейтронов, …;
• синтез ядер;
• деление ядер;
• с поглощением энергии и с выделением энергии.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер.  Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:
147N + 42He → 178O + 11H

Условия протекания ядерных реакций

Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания. Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией. Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы).

Первая реакция бомбардировки атомов быстрыми заряженными частицами была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:
73Li + 11H → 42He + 42He

Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобычастица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания. Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией.

Механизм ядерных реакций

Два этапа ядерной реакции:

• поглощение частицы ядром и образование возбужденного ядра. Энергия распределяется между всеми нуклонами ядра, на долю каждого из них при этом приходится энергия, меньшая удельной энергии связи, и они не могут проникнуть в ядро. Нуклоны обмениваются между собой энергией, и на одном из них или на группе нуклонов может сконцентрироваться энергия, достаточная для преодоления сил ядерной связи и освобождения из ядра.
• испускание частицы ядром происходит подобно испарению молекулы с поверхности капли жидкости. Промежуток времени от момента поглощения ядром первичной частицы до момента испускания вторичной частицы составляет примерно 10-12с.

Законы сохранения при ядерных реакциях

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т.е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.

Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до и после реакции.

Данная энергия выражается в Джоулях, но нам предстоит ее выражать в МэВ. Для этого наша формула будет выглядеть следующим образом:

А теперь давайте рассчитаем энергетический выход реакции Уолтона и Кокрофта.

На самом деле эта реакция проходит с выделением энергии 17,6 МэВ, у нас значение данной энергии получилось меньше, так как мы не учитывали кинетическую энергию протона, так как он был разогнан на ускорителе.

Самостоятельная работа по карточкам.

Самостоятельная работа

Вариант 1

1. Напишите уравнения следующих ядерных реакций:

1. алюминий (2713Al) захватывает нейтрон и испускает α-частицу;
2. азот (147N) бомбардируется α-частицами и испускает протон.

2. Закончите уравнение ядерных реакций:

1. 3517Cl + 10n → 11p +
2. 136C + 11p →
3. 73Li + 11p → 2
4. 105B + 42He → 10n +
5. 2412Mg + 42He → 2714Si +
6. 5626Fe + 10n → 5625Mn +

3. Определите энергетический выход реакций:

1. 73Li + 10n → 42He  + 13H;
2. 94Be + 42He  → 10n + 136C.

Вариант 2

1. Напишите уравнения следующих ядерных реакций:

1. фосфор(3115Р) захватывает нейтрон и испускает протон;
2. алюминий (2713Al) бомбардируется протонами и испускает α-частицу.

2. Закончите уравнение ядерных реакций:

1. 188О + 11p → 10n +
2. 115B + 42He → 10n +
3. 147N + 42He → 178О +
4. 126C + 10n → 94Be +
5. 2713Al + 42He → 3015Р +
6. 2411Na → 2412Mg + 0-1е +

3. Определите энергетический выход реакций:

1. 63Li + 11p → 42He + 32He;
2. 199F + 11p → 42He + 168O.

После выполнения самостоятельной работы проводится самопроверка.

Рефлексия:

1.Какое утверждение к тебе сегодня больше подходит:

А) Я работал на уроке с удовольствием и у меня все получалось.

Б) Мне было интересно ,но я был не очень активен.

С) Я работал сегодня не очень хорошо, но на следующем уроке буду более активен.

Выставление оценок. Подведение итогов урока.

Домашнее задание:

§ 8.7 читать, определения учить,

стр 291,упр. 35 (3, 4)

(доп. Задание для Светы  № 1235 – 1238. (А.П.Рымкевич))