Министерство образования Нижегородской области «Институт пищевых технологий и дизайна» - филиал Государственного бюджетного образовательного учреждения Высшего профессионального образования Нижегородский государственный инженерно-экономический институт Физика атомного ядра. Выполнили студенты группы ТХП-1 -12: Кислова Т. Кандыба С.
• 1913 году великий датский физик Нильс Бор опубликовал свою знаменитую модель атома, которая и до сегодняшнего дня остается хорошим приближением к истине. Согласно этой модели структура атома очень похожа на строение Солнечной системы: как вокруг Солнца вращаются планеты - Меркурий, Венера, Земля, Марс и другие, так и в центре атома находится маленькое, но очень тяжелое атомное ядро, вокруг которого на огромном расстоянии вращаются маленькие легкие электроны. Ядро имеет положительный электрический заряд, а электроны - отрицательный. Они удерживаются на орбитах вокруг ядра силами электрического притяжения аналогично тому, как Солнце силой тяготения удерживает вокруг себя планеты. Чтобы представить себе размер атомных ядер, рассмотрим следующее сравнение: капля воды состоит примерно из 6 • 102′ или 6 ООО ООО атомов, а само ядро занимает всего 1/1000 000 объема атома! Если бы ядро было величиной с вишню, то размеры атома были бы сравнимы с футбольным стадионом, а орбиты электронов находились бы на уровне верхних трибун. Несмотря на то, что ядро занимает всего одну триллионную часть атома, на него приходится почти вся его масса. Материя в ядре очень сильно уплотнена: в том случае, если ядро было бы размером с вишню, вишня эта весила бы приблизительно 30 миллионов тонн и, обладая такой массой, конечно, не смогла бы лежать посреди стадиона, а провалилась бы к центру Земли.
Атомы настолько малы, что их невозможно было увидеть никаким способом, поэтому их существование и строение изучалось с помощью косвенных экспериментов. Так, существование такой элементарной частицы, как электрон было обнаружено уже давно, ведь только этим можно было объяснить многие законы электродинамики и электричества Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Протон и нейтрон обладают собственным моментом количества движения (спином), равным и связанным с ним магнитным моментом. Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Z — это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом, в таблице Менделеева. Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом N.
Планетарная модель «Пудинг с изюмом» . Модель Томсона
Открытие Беккереля Идея о сложном строении атомов высказывалась задолго до того, как были получены экспериментальные данные, позволившие создать современную модель атома. Среди учёных, высказывавших эту идею, следует особо отметить русского революционера Н. А. Морозова, который ещё в 80 -90 -х годах прошлого столетия, основываясь на периодическом законе Менделеева, подробно разработал теорию строения атома из электрических зарядов. Началось всё с одной научной ошибки, или, чтобы быть более точным, с неправильной научной гипотезы. Вопрос стоял о природе загадочных тогда «X-лучей» , открытых незадолго перед этим (1895 г. ) Рентгеном и называемых ныне рентгеновскими лучами. Учёные всех стран находились тогда под впечатлением этого открытия. Работа Рентгена тщательно изучалась и обсуждалась. Французский учёный Анри Беккерель обратил внимание на указание Рентгена о том, что обнаруженные им невидимые глазом рентгеновские лучи выходят из конца стеклянной трубки, светящейся желтовато-зелёным светом, напоминающим свет флюоресцирующих веществ. И жёлто-зелёное свечение, и рентгеновские лучи выходили из одного и того же места стеклянной трубки. Это не было случайностью. В трубке, с которой производил свои исследования Рентген, возникновение «X-лучей» всегда сопровождалось желтовато-зелёным свечением стекла. Беккерель долгое время занимался изучением различных флюоресцирующих веществ, которые под влиянием солнечного освещения начинают излучать свой собственный, характерный для них свет.
Открытие радиоактивности В 1896 году Беккерель открыл радиоактивность. Радиоактивность- это самопроизвольное излучение атомных ядер. Приборы для исследования частиц: -счетчик Гейгера (1908) -камера Вильсона (1912) -пузырьковая камера Альфа- ядра атомов гелия. Бетта- электроны. Гамма- электромагнитные волны. Трек- след частицы
Открытие протона: Данную частицу Резерфорд назвал протоном. От греческого «протос» - первый. Следует понимать, что не протон является ядром атома водорода, а наоборот, ядро атома водорода имеет такое строение, что в него входит всего один протон. В состав ядер атомов других химических элементов может входить гораздо большее число протонов. Протон имеет положительный электрический заряд. При этом заряд протона равен заряду электрона, вот только имеет другой знак. Таким образом, протон и электрон как бы уравновешивают друга. Поэтому все предметы изначально никак не заряжены, и приобретают заряд только при попадании в электрическое поле. •
Открытие нейтрона: После открытия протона ученые понимали, что ядро состоит не только из протонов, поскольку на примере ядра атома бериллия выяснилось, то суммарная масса протонов в ядре 4 единицы массы, тогда как масса ядра в целом 9 единиц массы. Ученик Резерфорда Чедвик провел серию опытов и обнаружил частицы, вылетающие из ядра атома бериллия при бомбардировке альфа-излучениями, но не имеющими никакого заряда. Отсутствие заряда было констатировано по тому факту, что частицы никак не реагировали на электромагнитное поле. Стало очевидно, что обнаружен недостающий элемент конструкции ядра атома. Данные частицы были названы нейтронами. Нейтрон имеет массу примерно равную массе протона, но при этом, как уже говорилось, не имеет никакого заряда.
Протон. Открыл Резерфорд Нейтрон. Открыл Чедрик
Ядерные силы не зависят от заряда нуклонов. Они обусловлены сильным взаимодействием. Сведения о ядерный силах были получены из данных о рассеянии нуклонов на нуклонах, а также из исследований свойств атомных ядер (связанных состояний нуклонов). Само существование атомных ядер заставляет предположить, что в ядерных силах имеется существенное притяжение, которое и обеспечивает энергию связи нуклонов в ядрах порядка нескольких Мэ. В на нуклон. Кроме того, с увеличением числа нуклонов A в ядре энергия связи на нуклон остается примерно постоянной, а объем ядра растет пропорционально A. Про системы с такими свойствами говорят, что в них имеется насыщение сил, и потому ядерные силы называют насыщающими. Они приводят к возможности существования ядерной материи (Нейтронные звезды), плотность энергии которой не зависит от полного числа нуклонов и составляет примерно 16 Мэ. В на нуклон (если пренебречь электромагнитными (кулоновским) и гравитационными взаимодействиями). В общем случае можно представить себе, что ядерные силы – это притяжение только между нуклонами — ближайшими соседями, поэтому и энергия связи ядра пропорциональна числу нуклонов в ядре. Обычно предполагают, что потенциал ядерных сил в произвольной системе нуклонов можно свести к сумме потенциалов парных сил, т. е. сил, действующих между парой нуклонов (влиянием всех остальных нуклонов на данную пару пренебрегают). Хотя кроме парных взаимодействий нуклонов наверняка существуют многочастичные нуклонные взаимодействия, последние проявляются значительно слабее и их пока нельзя однозначно выделить в эксперименте. Поэтому под ядерными силами обычно подразумевают парные ядерные силы.
Ядерные силы- возникают между нуклонами, есть особенность: они действуют на очень маленьком расстоянии 10ˉ15 (размер ядра), т. е. только внутри ядра. Нуклон- это протон и нейтрон вместе. Изотопы- вещества с одинаковым порядковым номером, но с разной атомной массой. Например: -дейтерий -протий - тритий Отличаются радиоактивностью.
Большая энергия связи нуклонов, входящих в ядро, говорит о существовании ядерных сил, поскольку известные гравитационные силы слишком малы, чтобы преодолеть взаимное электростатическое отталкивание протонов в ядре. Связь нуклонов осуществляется чрезвычайно короткоживущими силами, которые возникают вследствие непрерывного обмена частицами, называемыми пи-мезонами, между нуклонами в ядре. Экспериментально было обнаружено, что для всех стабильных ядер масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов, взятых по отдельности. Эта разница называется дефектом массы или избытком массы и определяется соотношением: Где и — массы свободного протона и нейтрона, — масса ядра. Согласно принципу эквивалентности массы и энергии дефект массы представляет собой массу, эквивалентную работе, затраченной ядерными силами, чтобы собрать все нуклоны вместе при образовании ядра. Эта величина равна изменению потенциальной энергии нуклонов в результате их объединения в ядро. Энергия, эквивалентная дефекту массы, называется энергией связи ядра и равна: где с — скорость света в вакууме
Зависимость средней энергии связи (по оси y) от массового числа (по оси x) ядер
Энергия связи- это энергия, которую надо подвести к ядру, чтобы разбить его на нуклоны. Массу можно перевести в энергию связи. Дефект массы
Термоядерная реакция — слияние двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра, за счет кинетической энергии их теплового движения. Для ядерной реакции синтеза исходные ядра должны обладать относительно большой кинетической энергией, поскольку они испытывают электростатическое отталкивание, так как одноименно положительно заряжены. Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза.
Атомные ядра имеют положительный эклектический заряд. На больших расстояниях их заряды могут быть экранированы электронами. Однако для того, чтобы произошло слияние ядер, они должны сблизиться на расстояние, на котором действует сильное взаимодействие. Это расстояние — порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера атома. На таких расстояниях электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильное электростатическое отталкивание. Сила этого отталкивания, в соответствии с законом Кулона, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. На расстояниях порядка размера ядер величина сильного взаимодействия, которое стремится их связать, начинает быстро возрастать и становится больше величины кулоновского отталкивания. Таким образом, чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер. Например, для реакции дейтерийтритий величина этого барьера составляет примерно 0, 1 Мэ. В. Для сравнения, энергия ионизации водорода — 13 э. В. Поэтому вещество, участвующее в термоядерной реакции, будет представлять собой практически полностью ионизированную плазму.
Ядерный взрыв- неуправляемый процесс высвобождения большого количества тепловой и лучистой энергии в результате цепной ядерной реакции деления или реакции термоядерного синтеза за очень малый промежуток времени. По своему происхождению ядерные взрывы являются либо продуктом деятельности человека на Земле и в околоземном космическом пространстве, либо природными процессами на некоторых видах звёзд.
Поражающие факторы ядерного взрыва : -Тепловое излучение - Мощная волна, электромагнитный импульс - Ударная волна - Проникающая радиация Применение радиоактивных изотопов: - Радиоактивное заражение местности Действие радиоактивных излучений: -Определение останков человека( чем больше углерода в кости, тем меньше времени прошло) -Разрушаются клетки( быстроделящиеся : раковые клетки, клетки костного мозга и т. п. ) -Агрономы(при изобретении удобрений) - Возникает лейкемия( лучевая болезнь) - Воздействует на пищеварительную, нервную системы - Происходит мутация -На заводах( при изготовлении техники)
Элементарные частицы. Античастицы. Протоны и нейтроны состоят из кварков( у них дробный электрический заряд) Особенность: элементарные частицы могут превращаться друг в друга. Античастицапротивоположная Нейтрина- маленький частица. нейтрон. Особенность: большая проникающая способность. Аннигиляция- исчезновение и рождение электроннопозитронной пары.
Спасибо за внимание !
Скачать презентацию Министерство образования Нижегородской области Институт пищевых технологий и
3271_46044.ppt