Презентация к ВКС по физике 11 кл. "Физика атомного ядра".

Физика атомного
ядра
Учитель физики
КОУ «Заливинская средняя
общеобразовательная школа»
Зубков Павел Михайлович
Согласно протонно-нейтронной модели ядра состоят
из элементарных частиц двух видов – протонов и
нейтронов. Т.к. в целом атом электрически нейтрален,
а заряд протона равен модулю заряда электрона, то
число протонов в ядре равно числу электронов в
атомной оболочке. Следовательно, число протонов
равно атомному номеру элемента Z в периодической
системе элементов Д.И. Менделеева.
Сумма числа протонов Z и числа нейтронов N в
ядре называют массовым числом и обозначают
буквой A : A= Z + N. Условное обозначение – A X
Z
N = A – Z - число нейтронов.
Задачи:
1. Каков заряд ядра 115B (в единицах элементарного заряда)?
1) 5
2) 11
3) 16
4) 6
Решение: 115B Число протонов в ядре равно атомному номеру
элемента Z, т.е. это число 5.
Ответ: 1
2. Атом бора 58 B содержит:
1) 8 протонов, 5 нейтронов и 13 электронов
2) 8 протонов, 13 нейтронов и 8 электронов
3) 5 протонов, 3 нейтрона и 5 электронов
4) 5 протонов, 8 нейтронов и 13 электронов.
Решение: число протонов в ядре равно порядковому
номеру элемента в таблице Менделеева, т.е. z = 5. Число
нейтронов N=A-Z, т.е N= 8 – 5 = 3. Число электронов,
обращающихся вокруг ядра, равно числу протонов в ядре, т.е 5.
Ответ: 3
3. Ядро атома содержит 16 нейтронов и 15 протонов, вокруг него
обращается 15 электронов. Эта система частиц –
1) ион фосфора 1531P
3) атом серы 31S
16
31
2) ион серы S
4) атом фосфора 1531P
16
Решение: число протонов в ядре атома – 15. Массовое число A=Z +N,
т.е. A = 15 + 16 = 31. Число электронов обращающихся вокруг ядра –
15. Следовательно, это атом фосфора. Ответ: 4
45
4. Ядро скандия 21
Sc содержит:
1) 24 протона и 21 нейтрон
2) 21 протон и 24 нейтрона
3) 21 протон и 45 нейтронов
4) 45 протонов и 21 нейтрон.
Решение: число протонов в ядре равно порядковому номера
элемента в таблице Менделеева, т.е. z = 21. Число нейтронов
N= A – Z, т.е. N=45 – 21 = 24.
Ответ: 2
5. Какая из строчек таблицы правильно отражает структуру ядра
p – число протонов
132
50
Sn ?
n – число нейтронов
1)
132
182
2)
132
50
3)
50
132
4)
50
82
Решение: ZA X - условное обозначение ядра атома. Z – число протонов в
ядре (равно порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева), т.е.
Z = 50. Массовое число A = Z + N – равно сумме числа протонов и
числа нейтронов в ядре. Следовательно N = A – Z, т.е.
N = 132 – 50 = 82. Значит 4-я строчка правильно отражает структуру
ядра 132
50 Sn .
Ответ: 4-я строчка
Ядерные реакции
Ядерная реакция – это взаимодействие двух (или более) частиц,
приводящих к появлению новых частиц.
При записи ядерных реакций между левой и правой частями ставится знак
« ». Это объясняется неодинаковой массой взаимодействующих
частиц до и после взаимодействия.
0
Условные обозначения некоторых элементарных частиц: 1 e - электрон,
1
0
1
2
n
- нейтрон, 1 e - позитрон, 1 H - протон, 1 H - дейтерий,
0
4
3
He -  - частица,  - гамма-квант.
тритий,
H
2
1
Ядерная реакция может происходить с ядрами элементов, в которых
выполняются различные законы сохранения. В частности:
- закон сохранения электрического заряда: сумма порядковых
номеров (зарядов) всех продуктов при ядерной реакции не изменяется;
- закон сохранения относительной атомной массы: сумма масс
ядер и частиц до реакции и после реакции сохраняется.
1. Какая частица X образуется в реакции 37 Li  24 He  105 B  X ?
1) электрон 2) нейтрон 3)  - частица 4) протон
Решение: сумма зарядов до реакции 3+2 = 5, после реакции так
же должен равняться 5, т.е. 5+0 = 5. Z = 0.
Сумма масс до реакции 7+ 4 = 11, после реакции так же должна
быть 11, т.е. 10 +1 = 11. Масса частицы - 1. Это нейтрон – 01n
Ответ: 2
x
2. В результате реакции синтеза дейтерия с ядром y X образуется
ядро бора и нейтрон в соответствии с реакцией :
2
x
10
1
H

X

B

1
y
5
0 n Каковы массовое число X и
заряд Y (в единицах элементарного заряда) ядра, вступившего
в реакцию с дейтерием?
2
1
1) x = 11
y=5
:
H  yx X  105 B  01n
2) x = 10
y=5
3) x = 9
y=4
4) x = 10
y=4
Решение:
1 + y =5 +0
2 + x = 10 +1
y= 5 – 1
x = 11 - 2
y=4
x=9
Ответ: 3
3. Какая частица вызывает следующую ядерную реакцию:
27
24
4
Al

?

Mg

13
12
2 He ?
1
1
4
0
1) 2 He
2) n
3)1 H
4) 
Решение:
27
24
4
Al

?

Mg

13
12
2 He
13 +z = 12 +2
27 + A = 24 +4
z = 14 – 13
A = 28 – 27
z=1
A=1
27
13
24
Al  11H  12
Mg  24 He
Ответ: 3
Правило смещения:
При - распаде ядро теряет положительный заряд 2e и масса
его убывает примерно на четыре атомных массы (элемент
смещается на две клетки к началу периодической системы):
M
Z
X
M 4
Z 2
Y  24 He
При  - распаде заряд ядра увеличивается на единицу, а масса
остается почти неизменной (элемент смещается на одну клетку
к концу периодической системы):
M
Z
X 
Y
M
Z 1
0
1
e
Образованием антинейтрино ( 00 ve ) сопровождается  распад любого ядра и в уравнениях соответствующих реакций
эту частицу часто не указывают.
Ядро
какого
элемента
образуется
после
двух
252
последовательных  -распадов из ядра 102
No ?
248
Fm
1) 248
2) 100
3) 248
4) 244
96 Cm
98 Cf
98 Cf
Решение: при  - распаде заряд уменьшается на две единицы, а
после двух  - распадов на 4-е единицы, т.е. 102 – 4 = 98. Масса
убывает на 4-е единицы, а после двух  - распадов – на 8
единиц, т.е. 252 – 8 = 244.
Ответ: 4
216
2. Радиоактивный полоний 84 Po , испытав один  - распад и два
электронных  - распада, превратился в изотоп
208
212
1) свинца 212 Pb 2) полония 212
3)
висмута
4)
таллия
81Tl
Po
84
83 Bi
82
Решение:при  - распаде – заряд уменьшается на две
единицы, а при  - распаде – увеличивается на единицу, т.е.
84 - 2 +1 +1 = 84. При  - распаде – масса
уменьшается на 4 единицы, а при  - распаде – не изменяется,
т.е.
216 – 4 + 0 +0 = 212. Таким образом – это 212
84 Po .
Ответ: 2
1.
3. Из какого ядра после одного  - распада и одного  - распада
образуется ядро 211
?
83 Bi
215
219
211
Po
Rh
Hg
1) 216
2)
3)
4)
84 Po
84
86
80
Решение: 83 + 2 – 1 = 84
21 + 4 – 0 = 215. Следовательно, это 215
84 Po
Ответ: 4
4. Радиоактивный калифорний 244
испытал три  - распада и пять
98 Cf
 - распадов. Получившийся в результате изотоп ядра будет иметь
заряд Z и массовое число A
1) A = 232 2) A = 235 3) A = 229 4) A = 233
Z = 97
Z = 96
Z = 90
Z = 87
Решение: при  - распаде заряд уменьшается на 2,
следовательно при трёх  - распадах : 32=6. При  - распаде
заряд увеличивается на 1, следовательно при пяти  распадах: 5  1 = 5, т.е. 98 – 6 + 5 = 97. Z = 97
При  - распаде массовое число уменьшается на 4, а при  распаде не изменяется, т.е. 244 – 3 4 = 244 – 12 = 232. A = 232
Ответ: 1
5. Сколько  - и  - распадов испытывает уран 235
в процессе
92 U
последовательного превращения в свинец 207
82 Pb ?
1)n = 4 2) n =7
3) n = 8
4) n = 3
n = 4
n = 3
n = 8
n = 7
Решение: при  - распаде массовое число уменьшается на 4, а
заряд – на 2. При  - распаде массовое число не изменяется, а
заряд увеличивается на 1. Т.к. массовое число меняется только
M M
при  - распаде, то число  - распадов n  1M 2 , т.е.

235  207
28
n 

 7 . При этом заряд урана уменьшается
4
7
на 7 2 = 14. Действительно, изменение заряда ядра
Z1  Z 2  92  82  10 . Но, т.к. при  - распаде заряд
увеличивается на 1, то число  - распадов:
n = 14 – 10 = 4.
Ответ: 2
t
T,
Закон радиоактивного распада
N  N0 2 где N 0 - число радиоактивных атомов в начальный
момент времени (t=0).
T – период полураспада – это время, в течение которого
распадается половина начального числа радиоактивных
атомов.
Задачи:
45
1. Период полураспада радиоактивного изотопа кальция 20 Ca
45
составляет 164 суток. Если изначально было 4 10 24 атомов 20 Ca ,
то примерно сколько их будет через 328 суток?
24
24
6
1) 2 10 2) 1 10
3) 1 10
4) 0
t
Решение: N  N 2 T , t  n , т.е. n  328  2 - прошло два
164
0
T
периода полураспада. За t=T распадается примерно половина
24
наличного состава атомов, т.е. N= 2 10 . За t=2T
распадётся примерно ещё половина атомов и останется: N= 1 10 24
атомов.
Ответ: 2
2. Дан график изменения числа ядер находящегося в пробирке
радиоактивного изотопа с течением времени. Период полураспада
этого изотопа равен
1) 1 месяц 2) 2 месяца 3) 3 месяца 4) 4 месяца
Решение: Спад активности, т. е. число
распадов в единицу времени, зависит от

времени (периода полураспада). Из графика
видно, что в начальный момент времени
было 6 1015 радиоактивных ядер.
Находим по графику число соответствующее половине
распавшимся ядрам, т.е. 3 1015 . Это произойдёт через
1 месяц. Значит период полураспада данного
радиоактивного изотопа 1 месяц.
Ответ: 1

3. Активность радиоактивного элемента уменьшилась в 4 раза за
8 дней. Каков период полураспада этого элемента?
1) 32 дня 2) 16 дней 3) 4 дня 4) 2 дня
t
N0
t
N

n

n
T
Решение: N  N0 2 . Следовательно
2 , где
T.
t
T
N
2  0
N
t
T
t
T
,  2  4, 2  22
найдём T: T 

t
 2 . Из полученной формулы
T
t
8
, т.е. T   4 .
2
2
Ответ: 3
Часть В:
1.Как изменятся заряд и массовое число радиоактивного ядра в
результате его β- распада?
Для каждой величины определите соответствующий характер
изменения:
1)увеличится 2) уменьшится 3) не изменится
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической
величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Физические величины
их изменение
А) заряд
1) увеличится
Б) массовое число
2) не изменится
3) уменьшается
•
•
А
Б
1
2
Решение:
Из правила смещения при  - распаде следует:
M
Z
X 
Y 
M
Z 1
0
1
e
, что заряд радиоактивного атома увеличивается на
единицу, а массовое число не изменяется, т.е. 12.
Ответ:
12
2. Как меняется массовое число и зарядовое число ядра при
 - распаде?
Установите соответствие между физическими величинами и
характером их изменения.
К каждой позиции первого столбца подберите
соответствующую позицию второго и запишите в таблицу
выбранные цифры под соответствующими буквами.
Физическая
величина
А) Массовое число
Б) Зарядовое число
Её изменение
1) уменьшается на 1
2) уменьшается на 2
3) уменьшается на 4
4) не изменяется
А
Б
4
2
3.Как меняется массовое число и зарядовое число ядра при
 - распаде?
Установите соответствие между физическими величинами и
характером их изменения.
К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую
позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под
соответствующими буквами.
Физическая
величина
А) Массовое число
Б) Зарядовое число
Её изменение
1) уменьшается на 1
2) уменьшается на 2
3) увеличивается на 1
4) не изменяется
А
Б
4
3
Изото́пы (от др.-греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») —
разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют
одинаковый атомный номер, но при этом разные массовые числа. Название
связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в
одну клетку) таблицы Менделеева.
Вещества, идентичные по химическим свойствам, но различные по массе атомов и
некоторым физическим свойствам, по предложению английского учёного Содди с
1910 г. стали называть изотопами.
4. Как изменяется с ростом массового числа изотопов одного и того же элемента
число протонов и число нейтронов в ядре и число электронов в электронной
оболочке соответствующего нейтрального атома?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется.
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической
величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Решение: рассмотрим для примера изотопы урана с массовым
числом - 235 и с массовым числом – 238, т.е. 235
и 238U . Число
92 U
92
протонов в ядре не изменилось, не изменилось и количество
и количество электронов обращающихся вокруг ядра.
Найдём число нейтронов в ядре из формулы N = A – Z. В первом случае
N= 235 – 92 = 143, а во втором случае N = 238 – 92 = 146. Отсюда
видно, что число нейтронов увеличилось. Результат занесем в таблицу
Число протонов в ядре
Число нейтронов в ядре
Число электронов в
электронной оболочке
нейтрального атома
3
1
3
Ответ: 313
Задачи части С:
1. Препарат активностью 1,7 1011 частиц в секунду помещен в
медный контейнер массой 0,5 кг. За какое время температура
контейнера повышается на 1 К, если известно, что данное
радиоактивное вещество испускает  - частицы энергией
5,3 МэВ? Считать, что энергия всех - частиц полностью
переходит во внутреннюю энергию. Теплоёмкостью препарата
и теплообменом с окружающей средой пренебречь.
t  ?
СИ
A  1, 7 1011 c 1
m  0,5 кг
Дж
с  380
кг  К
T 1 К
8, 48 1013 Дж
E  5,3МэВ
Решение
Решение
За время t в аппарате выделяется количество теплоты Q  A  E  t ,
где A - активность препарата,
E - энергия  - частицы,
t - время.
С другой стороны Q  c  m  T ,
где с - удельная теплоемкость меди,
m - масса контейнера,
T - изменение температуры контейнера.
Выделившееся количество теплоты идет на нагревание контейнера.
A  E  t  c  m  T  t 
c  m  T
A E
380  0,5 1
 1318 c  21,97 мин
11
13
1, 7 10  8, 48 10
Ответ : t  22 мин
t 
2. Определите какая частица X образуется при осуществлении
ядерной реакции
1
1
H  12 H  23 He  X
Используя таблицу масс атомных ядер, вычислите энергию,
освобождающуюся при осуществлении этой ядерной реакции.
Решение
1
1
H  12 H  23 He  
E  m  931,5
 - гамма-квант
МэВ
,
а.е.м
m  m1  m2
m1  1, 00727  2, 01355  3, 02082 а.е. м, m2  3, 01493 а.е. м
m  3, 02082  3, 01493  0, 00589 а.е. м
т.к. m  0,  данная реакция идет с выделением энергии
E  0, 00589 а.е.м  931,5
МэВ
 5, 49МэВ  8, 78 1013 Дж
а.е.м
1МэВ  1, 6 1013 Дж
Ответ : E  8, 78 1013 Дж
2. Используя таблицу масс атомных ядер, вычислите энергию,
освобождающуюся при осуществлении ядерной реакции.
27
13
30
Al  24 He  15
P  01n
Решение
МэВ
E  m  931,5
,
а.е.м
m  m1  m2
m1  m 27 Al  m 4 He ; m2  m 30 P  m 1n
13
2
15
0
m1  26,97441  4, 00151  30,97592 а.е. м.
m2  29,97008  1, 00566  30,97874 а.е. м.
m  30,97592  30,97874  0, 00282 а.е. м.
т.к. m  0,  данная реакция идет с поглощением энергии
МэВ
 2, 63МэВ  4, 211013 Дж
а.е.м
Ответ : поглощается в ходе реакции
E  0, 00282 а.е.м  931,5
не менее 4, 211013 Дж энергии
3. Фотокатод облучается светом с длиной волны 300 нм.
Красная граница фотоэффекта фотокатода 450 нм. Вычислите
запирающее напряжение Uз между катодом и анодом.
UЗ  ?
СИ
Решение
3 107 м
me vm2
me vm2
c
hc
  300 нм
h  Aвых 
;   ; Aвых 
;
 eU з
7
2

max
2
max  450 нм 4,5 10 м
hc


hc
max
 eU з ; eU з 
hc


hc
max
 
 
eU з  hc max
; U з  hc max
  max
e    max
6, 6 10 34  3 108 (4,5 10 7  3 10 7 )
Uз 

19
7
7
1, 6 10  3 10  4,5 10
2,97 10 32

 1,375 ( В)
32
2,16 10
Ответ : U з  1,38 В
4. Вычислить массу радиоактивных продуктов деления ядер
урана, накапливающихся в ядерном реакторе тепловой
мощностью 3 109 Вт за сутки, принимая выделение энергии
при делении ядер урана 235 равным 200 МэВ.
m?
Решение
СИ
Р  3 109 Вт
t  24 сут
8, 64 104 с
235
92U
E  200 МэВ 3,2 1011
A  P t
По закону сохранения энергии
A  E , а E  E  N
Дж N  m N ; E  E m N
A
A
M
M
m
P t  M
P  t  E
NA  m 
M
E  N A
3 109  8, 64 10 4  0, 235 6, 0912 1013
m

 3,17 кг
23
11
13
6 10  3, 2 10
1,92 10
Ответ : m  3,17 кг
Спасибо за внимание!
Ни пуха, ни пера на
экзаменах!