Вакуленко М.О. Фізика 9 клас Атомна фізика

Урок 1 Сучасна модель атома. Протонно-нейтронна модель ядра атома. Ядерні сили. Ізотопи

1. Модель атома Джозефа Томсона

Джозеф Томсон відкрив електрон ще в 1897 р. Виходячи з відомостей про електронейтральність атома, учений створив модель: атом складається з позитивно зарядженої кулі, заряд якої рівномірно розподілено по всьому об’єму, і негативно заряджених електронів, розміщених у цьому об’ємі. Модель була схожа на пудинг 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.

Проблемне питання

• Чи дійсно позитивний заряд розподілений по всьому об'єму атома?

2. Класичний дослід Резерфорда

Ернест Резерфорд, Ернест Марсден і Ганс Гейгер у 1908-1911 рр. проводили серію дослідів щодо з’ясування структури атома. Для дослідів учені використали речовину, із якої з великою швидкістю вилітали позитивно заряджені частинки – так звані α-частинки.

Вузький пучок α-частинок зі свинцевого контейнера спрямовувався на тонку золоту фольгу, а далі потрапляв в екран, покритий шаром кристалів цинк сульфіду. Якщо в такий екран улучала α-частинка, то в місці її влучання відбувався слабкий спалах світла. Учені спостерігали спалахи за допомогою мікроскопа та реєстрували влучання α-частинок в екран.

Під час дослідів було виявлено:

• переважна більшість α- частинок проходить крізь золоту фольгу, не змінюючи напрямку руху;

• деякі відхиляються від початкової траєкторії;

• приблизно одна з 20 000 частинок відскакувала від фольги, начебто натикаючись на якусь перешкоду.

Проблемне питання

• Чому деякі α-частинки відскакують від фольги?

Оскільки побачити атом неможливо, то пояснення зміни напрямку руху α- частинок ґрунтувалося на логічних припущеннях.

Учений ретельно підрахував кількість частинок, що летіли в кожному з напрямків, а потім за допомогою складного, але переконливого математичного аналізу обґрунтував ядерну модель атома.

Ядерна модель будови атома: 

• атом складається з позитивно зарядженого ядра, оточеного негативно зарядженими частинками – електронами; 

• 99,9% маси і весь позитивний заряд атома зосереджені в ядрі атома;

• розмір ядра порівняно з атомом надзвичайно малий (діаметр атома становить приблизно 10– 10 м, а ядра –  10–15 м).

3. Будова атомного ядра

Атомне ядро складається із частинок двох видів: 

• протони (мають позитивний електричний заряд); 

• нейтрони (не мають заряду).

Нуклони – це протони й нейтрони, що входять до складу ядра атома.

Нуклонне (масове) число (А) – це сумарна кількість протонів і нейтронів в атомі.

Зарядове (протонне) число (Z) – це кількість протонів у ядрі.

Кількість нейтронів (N) у цьому ядрі: N = A – Z.

Нуклід – це вид атомів, який характеризується певним значенням зарядового числа та певним значенням масового числа.

Проблемне питання

• Скільки протонів і нейтронів містить ядро нукліда Титану 2248Ti?

A=48;      Z=22;       N=48-22=26

Ізотопи – це різновиди атомів того самого хімічного елемента, ядра яких містять однакове число протонів, але різну кількість нейтронів.

4. Сильна взаємодія

Проблемне питання

• Яким чином у складі одного ядра і на дуже близькій відстані один від одного утримуються протони, адже однойменно заряджені частинки відштовхуються?

Кулонівські (електростатичні) сили відштовхування намагаються «зруйнувати» ядро. 

Ядерні сили – це сили, які діють між протонами й нейтронами в ядрі та забезпечують існування атомних ядер.

Основні властивості ядерних сил:

1) є тільки силами притягання;

2) є близькодіючими: вимірювання показали, що ядерні сили між нуклонами виявляються лише на відстанях, які приблизно дорівнюють розмірам нуклона (10–15 м);

3) не залежать від заряду: на однаковій відстані сили, що діють між двома протонами, між двома нейтронами або між протоном і нейтроном, є однаковими;

4) мають властивість насичення: нуклон виявляється здатним до ядерної взаємодії одночасно лише з невеликою кількістю нуклонів-«сусідів»

ІV. ЗАКРІПЛЕННЯ НОВИХ ЗНАНЬ І ВМІНЬ

1. Скільки протонів і скільки нейтронів міститься в ядрах атомів Меркурію 80201Hg, Купруму 2964Cu, Германію 3273Ge?

Меркурій 80201Hg:        A=201;      Z=80;       N=201-80=121

Купрум 2964Cu:        A=64;      Z=29;       N=64-29=35

Германій 3273Ge:        A=73;      Z=32;       N=73-32=41

2. Як визначити кількість електронів в атомі?

Атом є електрично нейтральним: сумарний заряд протонів у ядрі дорівнює сумарному заряду електронів, що розташовані навколо ядра. Оскільки заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона, то зрозуміло, що в атомі кількість протонів дорівнює кількості електронів.

3. У ядрі атома Брому 35 протонів і 45 нейтронів. Скільки електронів у цьому атомі?

В атомі кількість протонів дорівнює кількості електронів тому в атомі Брому міститься 35 електронів.

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

Оскільки в атомі кількість протонів дорівнює кількості електронів, то

Z=6;           A=12;             N=12-6=6

5. У ядрі атома певного хімічного елемента 31 протон і 39 нейтронів. Що це за елемент?

Z=31;           N=39;             N=A-Z       =>     A=N+Z;      A=39+31=70

Галій 3170Ga

6. Чим відрізняються ядра ізотопів Феруму: 2654Fe; 2656Fe; 2657Fe; 2658Fe?

Ядра ізотопів Феруму відрізняються кількістю нейтронів.

V. ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ УРОКУ

Бесіда за питаннями

1. Опишіть дослід Е. Резерфорда із розсіяння α-частинок та його результати.

2. Із яких частинок складається атом? атомне ядро? 

3. Що таке зарядове число? масове число?

4. Як визначити кількість протонів і нейтронів у ядрі? Наведіть приклад. 

5. Що таке нуклід? 

6. Які нукліди називають ізотопами? Назвіть ізотопи Гідрогену. 

7. Який тип взаємодії забезпечує утримання нуклонів у ядрі атома? 

8. Дайте означення ядерних сил, назвіть їхні властивості.

VI. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

Опрацювати § 22, Вправа № 22 (1 – 4)