Атом і атомне ядро.

Мета.

Навчальна. Ознайомити етапами розвитку уявлень про будову атома, дослідами Резерфорда та будовою атома та атомного ядра.

Розвиваюча. Розвивати кругозір учнів, фізичну компетентність.

Виховна. Виховувати повагу до праці, наполегливість, вміння цінувати працю інших людей.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Фізика: підруч. для 9 класу загальноосвіт.навч. закл./В. Д. Сиротюк, - К.: Зодіак-ЕКО, 2009, - 208 с.; іл. <<Читати онлайн>>
• Відео. Атом, який побудував… (Час показу 26:02 хв.)

• Відео. Ернест Резерфорд
• Таблиця. Періодична система хімічних елементів Д. І.  Менделєєва

План

1. Організаційний момент.
2. Атом і атомне ядро.
3. Запитання до уроку.
4. Домашнє завдання.
5. Перевір себе.
6. Для допитливих.

Хід уроку

1. Організаційний момент.

• Введення в тему.
• Проведення інструктажу з ПБП.

2. Атом і атомне ядро.

Що вивчає ядерна фізика? Історія фізичної науки налічує майже 2500 років, але тільки минулого століття кількість фахівців-фізиків збільшилася в сотні разів, були створені величезні заводи для виробництва фізичних приладів і обладнання. І сталося це передусім завдяки успіхам ядерної фізики.

Ядерна фізика - це розділ фізики, який вивчає структуру і властивості атомного ядра, процеси, що в ньому відбуваються, та механізми його перетворення.

Результати вивчення ядра втілилися сьогодні в низку так званих радіаційних технологій, які застосовують в медицині, геології, сільському господарстві, харчовій промисловості та інших галузях. 

Проте найважливіша сфера застосування досягнень ядерної фізики - отримання енергії.  У розвинутих країнах світу за короткий проміжок часу частка електричної енергії, яка одержується за рахунок розщеплення атомних ядер, становила десятки відсотків від загального видобутку енергії, а в деяких країнах, у тому числі в Україні, сягнула й половини видобутку.

Високий розвиток ядерної енергетики пов’язаний з високою ефективністю ядерного “палива”. На думку фізиків, коли будуть розгадані таємниці будови мікрочастинок, які входять до складу ядра, відкриються ще більші можливості. Саме тому уряди різних держав активно підтримують фундаментальні наукові дослідження в галузі ядерної фізики.

Етапи розвитку уявлень про будову атома. Історію виникнення найзагальніших уявлень про атом зазвичай ведуть з часів грецьких філософів Левкіпа (5 століття до н.е.) та його учня Демокріта (близько 460-370 р. до н.е.). За Демокрітом, вся природа складається з атомів, найдрібніших часток речовини, які спочивають чи рухаються в абсолютно пустому просторі. Всі атоми мають просту форму, а атоми одного сорту є тотожними; різноманіття природи відображає різноманіття форм атомів і різноманіття способів, в які атоми можуть зчіплюватись між собою. І Демокріт, і Левкіп вважали, що атоми, почавши рухатись, продовжують рухатись за законами природи.

Через покоління після Демокріта,  Платон і індійські філософи вважали приблизно так: якщо природа складається з дрібних, але скінченних за розмірами, часток, то чому їх не можна розділити, хоча б в уяві, на ще дрібніші часточки, які б стали предметом подальшого розгляду.

Римський поет Лукрецій (96 — 55 роки до н. е.) був одним з небагатьох римлян, які проявляли інтерес до чистої науки. У своїй поемі “Про природу речей” він детально вибудував факти, які свідчать на користь атомістичної теорії. Наприклад, вітер, який дме з великою силою, хоча ніхто не може його бачити, напевне складається з часток, замалих щоб їх розгледіти… Вчення Лукреція були засуджені церквою, оскільки він дав досить матеріалістичну їхню інтерпретацію: наприклад, уявлення про те, що Бог, запустивши один раз атомний механізм, більше не втручається в його роботу.

 Одна з перших теорій про будову атома, яка має вже сучасні обриси, була описана Галілеєм (1564–1642). За його теорією речовина складається з часток, які не перебувають в стані спокою, а під впливом тепла рухаються у всі напрямки; тепло — є нічим іншим як рухом часток. Структура часток є складною, і якщо позбавити будь-яку частку її матеріальної оболонки, то зсередини бризне світло. Галілей був першим, хто, хоча і в фантастичній формі, представив будову атома.

У 19 столітті Джон Дальтон розвинув теорію, за якою хімічні речовини складаються з атомів, але він припускав, що вони неподільні. Новий поштовх у становленні сучасного розуміння атома дала молекулярно-кінетична теорія.

 1897 року Джозеф Джон Томсон, вивчаючи катодні промені, відкрив електрон і прийшов до висновку, що вони є у кожному атомі. Виходячи з відомостей про електронейтральність атома, вчений створив модель: атом складається з позитивно зарядженої кулі, заряд якої рівномірно розподілений по всьому об’єму, і негативно заряджених електронів, розміщених у цьому об’ємі. Модель була схожа на кекс з родзинками. 

Виходячи з моделі атома Томсона, можна було пояснити явища йонізації атомів, електролізу, періодичну систему елементів, але вона не давала змоги пояснити електромагнітні та оптичні явища, результати досліду Резерфорда і явище радіоактивності.

Німецький фізик Ф. Ленард у 1903 р. запропонував модель “порожнього” атома, в середині якого літають нейтральні частинки, складені із взаємно зрівноважених позитивних і негативних зарядів.                    

Розв’язанню проблеми будови атома присвятили своє життя видатні вчені світу Е. Резерфорд, Х. Гейгер, О. Лебедєв, Н. Бор та інші.

Відео. Атом, який побудував… (Час показу 26:02)

Упевнившись, що атом не є “неподільним”, фізики намагалися встановити “цеглинки”, з яких він складається, тобто такі структурні елементи матерії, внутрішня будова яких на цей момент невідома, і які називали елементраними частинками.

• Електрон - перша з відомих елементарних частинок. Термін електрон запровадив у 1894 році Джордж Джонстоун Стоуні. Він вперше сформулював ідею про те, що природа складається із заряджених частинок ще в 1874 році. Експериментально відкрив електрон у 1897 році Джозеф Джон Томсон у експериментах з катодними променями у вакуумних лампах.
• Протон. У 1913 році Е. Резерфорд припустив, що ядро атома Гідрогену є елементарною частинкою, яку назвали протоном, і яка входить до складу інших атомних ядер. Цю гіпотезу було підтверджено експериментально у 1919 р., коли в дослідах виявили окремі протони.
• Нейтрон. У 1932 р. англійський фізик Дж. Чедвік на досліді встановив, що невідоме дуже проникне проміння, яке спостерігали він та інші вчені є потоком нейтральних частинок, маса яких близька до маси протона. Існування такої частинки ще 1920 р. передбачив Е. Резерфорд, її було названо нейтроном. Того ж року  Д. Д. Іваненко (уродженець Полтавщини) і В. Гейзенберг запропонували протонно-нейтронну модель ядра атома, яку в подальшому підтверджували всі дослідження.

Будова атома  та атомного ядра. У 1908-1911 рр. досвідченим дослідником Гансом Гейгером (1882-1945) та молодим аспірантом Ернестом Марсденом (1889-1970) під керівництвом Ернеста Резерфорда (1871-1937) було здійснено серію дослідів. Для дослідів вчені використали речовину, із якої з великою швидкістю вилітали позитивно заряджені частинки. Помістивши цю речовину в свинцевий контейнер з невеликим отвором, отримували вузький пучок -частинок, який спрямовувався на тонку золоту фольгу. Пристрій містив також екран, покритий спеціальною речовиною. Якщо в такий екран влучила -частинка, то в місці її влучення відбувався слабкий спалах світла. Вчені спостерігали спалахи за допомогою мікроскопа і реєстрували попадання в екран кожної -частинки.  

Якщо в установці досягнуто повного вакууму і немає фольги, то на екрані виникає світла пляма, утворена світіннями, спричиненими тонким пучком -частинок. Якщо на шляху -частинок встановити золоту фольгу, то відбуватиметься їх розсіювання і пляма розмивається на більшу площу. Майже всі частинки вільно проходять крізь фольгу і майже не відхиляються від попередньої траєкторії, лише 2-3% їх розсіюються і відхиляються на кілька градусів від початкового напряму. А от приблизно одна з 20 000 частинок відскакує назад, начебто натикається на якусь перешкоду у фользі. Останнє виявилося найбільш вражаючим для вчених.

Зрозуміло, що Е. Резерфорд не міг бачити внутрішню структуру атома, тому він залучив логіку. Якщо позитивний заряд і маса рівномірно розподілені по всьому об’єму атома (а саме таке уявлення про атом існувало на той час у фізиці), то всі -частинки повинні пролетіти крізь фольгу, практично не відхиляючись, адже їхня енергія колосальна. Приблизно так буде, якщо з гармати стріляти впритул у копицю сіна чи кидати м’ячик через павутиння.

Якщо ж позитивний заряд і маса зосереджені у невеликому об’ємі всередині атома, а навколишнім простором для атома є “порожнеча”, то бомбардування -частинками нагадуватиме кидки здалеку тенісним м’ячиком у металеву банку, закріплену на жердині. Тільки в мізерній кількості випадків м’ячик відскочить від банки й повернеться до того, хто кидав, у решті ж спроб він пролетить повз ціль.

Логічні розмірковування й дані експериментів практично збігаються, якщо вважати, що маса атома зосереджена у важкому позитивно зарядженому ядрі, розмір якого у 100000 разів менший, ніж розмір самого атома.

У травні 1911 року Резерфорд друкує статтю у “Філософському журналі”, в якій розповідає про експерименти, що наштовхнули його на думку про планетарну модель атома. Це була епохальна наукова праця.

Відео. Ернест Резерфорд (Час показу 5:39 хв)

Сьогодні відомо, що: 

Атом складається з позитивно зарядженого ядра розміром порядку 10-15 м, оточеного хмарою негативних  заряджених частинок - електронів.

Лінійні розміри різних ядер неоднакові. Вони знаходяться в межах від  м до  м, що в 10 000 -100 000 разів менше за діаметр самого атома. В оптиці, атомній та молекулярній фізиці часто використовують позасистемну одиницю довжини  1 ангстрем, названу честь  шведського фізика  А. Й. Ангстрема:

1 Å=10-10 м.

Ядро складається з позитивно заряджених протонів та частинок, які не мають заряду - нейтронів. Ядро займає лише невеликий об’єм усередині атома, але саме в ядрі зосереджена мало не вся масса атома (99,95%).

Протони і нейтрони, що входять до складу ядра атома, називають нуклонами, ядра атомів узагальнено називають нуклідами.

Сумарну кількість протонів і нейтронів в атомі називають нуклонним (або масовим) числом та позначають символом . 

Кількість протонів у ядрі називають протонним (або зарядовим) числом та позначають символом . Зарядове та нуклонне числа легко визначити, скориставшись “Періодичною системою хімічних елементів Д. І. Менделєєва”. При позначенні ядра атома хімічного елемента перед символом зверху вказується нуклонне число , а внизу - протонне (зарядове) число .

Таблиця. Періодична система хімічних елементів Д. І.  Менделєєва

Знаючи зарядове () і нуклонне () числа ядра атома хімічного елемента, можна визначити кількість нейтронів () у ядрі атома цього елемента: .

Наприклад,  - ядро Алюмінію, що має нуклонне число 27, а протонне (зарядове) число 13. Цей запис означає, що в ядрі атома Алюмінію міститься 27 нуклонів: 13 протонів і 27-13=14 нейтронів.

Слід звернути увагу на те, що ядра атомів того самого хімічного елемента можуть відрізнятися кількістю нуклонів.

Види атомів одного хімічного елемента, ядра яких містять однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів, називають ізотопами хімічного елемента.

Наприклад, ядро Торію-234 () містить 234 нуклони: 90 протонів і 144 нейтрони, а ядро Торію-230 () містить 230 нуклонів: 90 протонів і 140 нейтронів.

Природний елемент Оксиген є сумішшю трьох ізотопів: О, О, О. Найпоширенішим у природі є ізотоп кисню О, частка якого становить 99,759%.

Фізико-хімічні властивості ізотопів майже тотожні, тому що вони визначаються будовою електронної оболонки атомів, а в атомах ізотопів електронна оболонка однакова. Проте, використовуючи деякі відмінності у властивостях ізотопів, учені навчилися відокремлювати один ізотоп від іншого, збагачувати хімічний елемент тим, або іншим ізотопом.

У електрично нейтрального атома сумарний заряд протонів, що містяться в ядрі, дорівнює сумарному заряду електронів, що обертаються навколо ядра. 

А оскільки заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона, то зрозуміло, що в електрично нейтральному атомі кількість протонів дорівнює кількості електронів.

Коли електрони приєднуються до атома, вони займають орбіталь із найнижчою енергією. Лише електрони зовнішньої оболонки можуть брати участь в утворенні міжатомних зв'язків. Атоми можуть віддавати та приєднувати електрони, стаючи позитивно або негативно зарядженими іонами. Хімічні властивості елемента визначаються тим, з якою легкістю ядро може віддавати або здобувати електрони. Це залежить як від числа електронів так і від ступеня заповненості зовнішньої оболонки.

Іон, йон — електрично заряджена частинка речовини, що утворилася з атома або атомної групи внаслідок втрати або приєднання до них електронів.

Маса протона приблизно дорівнює масі нейтрона і майже у 1840 разів більша за масу електрона. Ядерна речовина має надзвичайно велику густину: г/см3. Чайна ложка, наповнена тільки ядрами, важила б сотні мільйонів тонн.

 Досліди Резерфорда разом із встановленням ядерної структури атома свідчать ще й про високу “міцність” атомних ядер, які не зазнавали руйнувань навіть під час лобового зіткнення з -частинкою, що налітали на ядра з великою швидкістю.        

Ядерні сили. Не важко зрозуміти, що електрони, маючи негативний заряд, утримуються навколо позитивного ядра завдяки електромагнітній взаємодії. Але яким чином у складі одного ядра і на дуже близькій відстані один від одного утримуються протони, адже однойменно заряджені частинки відштовхуються? Протони не тільки не розлітаються, а ще й протидіють спробам зруйнувати ядро. Фізики з’ясували, що всі частинки всередині ядра притягуються одна до одної, причому байдуже які: протон до протона, протон до нейтрона чи нейтрон до нейтрона. І це відбувається завдяки взаємодії іншого виду, яка набагато сильніша, ніж електромагнітне відштовхування протонів.

Взаємодію нуклонів називають сильною взаємодією.

Ядерні сили є коротко діючими на відміну від далеко діючих електромагнітних сил та гравітаційних. Радіус дії ядерних сил приблизно рівний 10-15 м, тобто розміру нуклонів.  На цих відстанях ядерні сили притягання в сотні разів перевищують електричні сили відштовхування між протонами. Про ядерні сили говорять, що це “богатир з короткими руками”. Ядерні сили є зарядово незалежними, ця властивість виявляється у тому, що протон з протоном взаємодіють так само, як і протон з нейтроном.

Планетарна модель атома добре пояснювала результати дослідів з розсіювання -частинок речовиною. Виходячи з цієї моделі англійський фізик Г. Мозлі на основі результатів своїх дослідів встановив, що заряд атомного ядра дорівнює добутку порядкового номера елемента в Періодичній системі елементів Д. І. Менделєєва  на елементарний електричний заряд .

Порядковий номер хімічного елемента Z - зарядове (протонне) число, визначає кількість протонів у ядрі і тим самим - кількість електронів навколо ядра в нейтральному атомі.

Методи візуалізації атомів. Атоми надто малі, щоб їх можна було спостерігати за допомогою оптичного мікроскопа, роздільна здатність якого не перевищує десятих долей мікрона. Роздільна здатність електронного мікроскопа загалом порівняна з розмірами атома, але все ж отримання зображення атомів у них складна технічна задача. Найкраще окремі атоми можна розрізнити за допомогою скануючого тунельного мікроскопа. При цьому те зображення, яке бачить дослідник, є тільки комп'ютерною реконструкцією на моніторі. Скануючий тунельний мікроскоп відчуває нерівності на поверхні, в тому числі нерівності атомарних розмірів, «на дотик». У ньому тонкий щуп сканує поверхню в горизонтальному напрямку, здійснюючи такі рухи у вертикальному напрямку, щоб підтримувати постійним тунельний струм. Саме ці вертикальні зміщення й записуються електронікою, яка надалі реконструює зображення.   

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Таблиця. Періодична система хімічних елементів Д. І.  Менделєєва

Задача 49.1. Визначте склад ядра атома Арсену.

Задача 49.2. Ядро атома якого елемента має заряд   Кл?

Задача 49.3. Відомо, що природний хлор складається з двох типів атомів, які відрізняються кількістю нейтронів у ядрі: Хлор-35 і Хлор-37. Цим пояснюється атомна маса природного хлору, яка не є цілочисловою: 35,5. Визначте відсотковий вміст у природному хлорі атомів Хлору-35.

4. Запитання до уроку.

Запитання 49.1. Що вивчає ядерна фізика? Чому уряди різних країн підтримують дослідження в галузі ядерної фізики?

Запитання 49.2. Назвіть етапи розвитку уявлень про будову атома.

Запитання 49.3. Опишіть дослід, після якого було висунуто ядерну модель будови атома. Чому -частинка може змінити напрям руху при взаємодії з золотою фольгою?

Запитання 49.4. З яких частинок складається атом, атомне ядро?

Запитання 49.5. Які хімічні елементи називають ізотопами? Чому фізико-хімічні властивості ізотопів майже тотожні?

Запитання 49.6. Які атоми називають йонами?

Запитання 49.7. Який тип взаємодії забезпечує утримання нуклонів у ядрі? Вкажіть радіус дії ядерних сил.

Запитання 49.8. Як визначити кількість протонів  у ядрі? Як визначити заряд атомного ядра?

Запитання 49.9. Яка частинка має більшу масу: протон чи електрон?

Запитання 49.10. Чому золоту фольгу у своїх дослідах Резерфорд зробив надтонкою?

Запитання 49.11. Яка кількість електронів у ядрі Урану-235? Дайте кількісну характеристику будови нейтрального атома Урану-235.

5. Домашнє завдання.

Підручник: § 22.

Задача 49.4. Визначте склад ядра атома Алюмінію.

Задача 49.5. Ядро атома деякого елементу має заряд  Кл. Що це за елемент?

Тестування. Атом і атомне ядро. Відповіді учнів

Усне опитування по запитаннях до уроку.

6. Перевір себе.

7. Для допитливих.