Изотопы. Открытие Нейтрона. Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер

Тип работы: Курсовая работа
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 15 страниц
В избранное:

Министерство образования и науки Республики Казахстан.
Технико-экономический колледж при КУПС

Курсовая работа
По предмету: Физика
На тему: Изотопы. Открытие Нейтрона. Строение атомного ядра. Ядерные силы.
Энергия связи атомных ядер.

Проверил(а): Дигарбаева Т. Д.
Выполнил(а): Салкембаев А. И.

Алматы 2006 г.
План:
I Введение.
II Основная часть.
1. Изотопы
2. Открытие Нейтрона
3. Строение атомного ядра
4. Ядерные силы
5. Энергия связи атомных ядер
III Заключение.
IV Список литературы.

Изотопы.
Измерения масс каналовых лучей, проведенные Дж.Томсоном, Ф.Астоном и
другими исследователями с помощью более совершенных масс-спектрометров и с
большей точностью, дали ключ к строению ядра, а также атома в целом.
Например, измерение отношения заряда к массе показало, что заряд ядра
водорода, по-видимому, представляет собой единичный положительный заряд,
численно равный заряду электрона, а масса mp = 1837me, где me – масса
электрона. Гелий мог давать ионы с двойным зарядом, но его масса в 4 раза
превышала массу водорода. Таким образом, высказанная ранее В.Праутом
гипотеза о том, что все атомы построены из атомов водорода, была серьезно
поколеблена.
Сравнивая на своем масс-спектрографе массу атома неона с известными
массами других элементов, Томсон в 1912 неожиданно обнаружил, что неону
вместо одной соответствуют две параболы. Расчеты масс частиц показали, что
одна из парабол отвечает частицам с массой 20, а другая – с массой 22. Это
явилось первым свидетельством того, что атомы определенного химического
элемента могут иметь различные массовые числа. Поскольку измеренное
(среднее) массовое число оказалось равным 20,2, Томсон высказал
предположение, что неон состоит из атомов двух типов, на 90% с массой 20 и
на 10% с массой 22. Поскольку оба типа атомов в природе существуют в виде
смеси и их нельзя разделить химическим путем, массовое число неона
оказывается равным 20,2.
Наличие двух типов атомов неона наводило на мысль о том, что и другие
элементы могут представлять собой смеси атомов. Последующие масс-
спектрометрические измерения показали, что большинство природных элементов
представляют собой смеси от двух до десяти различных сортов атомов. Атомы
одного и того же элемента с различной массой называют изотопами. У
некоторых элементов существует только один изотоп, что требовало
теоретического объяснения, как и факт разной распространенности элементов,
а также существование радиоактивности лишь у определенных веществ.
В связи с открытием изотопов возникла проблема стандартизации,
поскольку химики ранее выбрали в качестве стандарта кислород (16,000000
атомных единиц массы), оказавшийся смесью четырех изотопов. В итоге было
решено установить физическую шкалу масс, в которой наиболее
распространенному изотопу кислорода приписывалось значение 16,000000 а.е.м.
Однако в 1961 между химиками и физиками было достигнуто соглашение,
согласно которому наиболее распространенному изотопу углерод-12 были
приписаны 12,00000 а.е.м. Поскольку число атомов в 1 моле изотопа равно
числу Авогадро N0, получаем

Отметим, что в атомную единицу массы входит масса одного электрона, а
масса самого легкого изотопа водорода почти на 1% больше 1 а.е.м.

Открытие Нейтрона.
Открытие изотопов не прояснило вопрос о строении ядра. К этому времени
были известны лишь протоны – ядра водорода и электроны, а потому
естественной была попытка объяснить существование изотопов различными
комбинациями этих положительно и отрицательно заряженных частиц. Можно было
бы думать, что ядра содержат А протонов, где А – массовое число, и А−Z
электронов. При этом полный положительный заряд совпадает с атомным номером
Z.
Такая простая картина однородного ядра поначалу не противоречила
выводу о малых размерах ядра, вытекавшему из опытов Резерфорда.
Естественный радиус электрона r0 = e2mc2 (который получается, если
приравнять электростатическую энергию e2r0 заряда, распределенного по
сферической оболочке, собственной энергии электрона mc2) составляет r0 =
2,82⋅10–15 м. Такой электрон достаточно мал, чтобы находиться внутри ядра
радиусом 10–14 м, хотя поместить туда большое число частиц было бы
затруднительно. В 1920 Резерфорд и другие ученые рассматривали возможность
существования устойчивой комбинации из протона и электрона, воспроизводящей
нейтральную частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Однако
из-за отсутствия электрического заряда такие частицы с трудом поддавались
бы обнаружению. Вряд ли они могли бы и выбивать электроны из металлических
поверхностей, как электромагнитные волны при фотоэффекте.
Лишь спустя десятилетие, после того как естественная радиоактивность
была глубоко исследована, а радиоактивное излучение стали широко применять,
чтобы вызывать искусственное превращение атомов, было надежно установлено
существование новой составной части ядра. В 1930 В.Боте и Г.Беккер из
Гисенского университета проводили облучение лития и бериллия альфа-
частицами и с помощью счетчика Гейгера регистрировали возникающее при этом
проникающее излучение. Поскольку на это излучение не оказывали влияния
электрические и магнитные поля и оно обладало большой проникающей
способностью, авторы пришли к выводу, что испускается жесткое гамма-
излучение. В 1932 Ф.Жолио и И.Кюри повторили опыты с бериллием, пропуская
такое проникающее излучение через парафиновый блок. Они обнаружили, что из
парафина выходят протоны с необычно высокой энергией, и заключили, что,
проходя через парафин, гамма-излучение в результате рассеяния порождает
протоны. (В 1923 было установлено, что рентгеновские лучи рассеиваются на
электронах, давая комптоновский эффект.)
Дж.Чедвик повторил эксперимент. Он также использовал парафин и с
помощью ионизационной камеры (рис. 1), в которой собирался заряд,
возникающий при выбивании электронов из атомов, измерял пробег протонов
отдачи.

Чедвик использовал также газообразный азот (в камере Вильсона, где
вдоль следа заряженной частицы происходит конденсация водяных капелек) для
поглощения излучения и измерения пробега атомов отдачи азота. Применив к
результатам обоих экспериментов законы сохранения энергии и импульса, он
пришел к выводу, что обнаруженное нейтральное излучение – это не гамма-
излучение, а поток частиц с массой, близкой к массе протона. Чедвик показал
также, что известные источники гамма-излучения не выбивают протонов.
Тем самым было подтверждено существование новой частицы, которую
теперь называют нейтроном. Расщепление металлического бериллия происходило
следующим образом:

Альфа-частицы 42He (заряд 2, массовое число 4) сталкивались с ядрами
бериллия (заряд 4, массовое число 9), в результате чего возникали углерод и
нейтрон.
Открытие нейтрона явилось важным шагом вперед. Наблюдаемые характеристики
ядер теперь можно было интерпретировать, рассматривая нейтроны и протоны
как составные части ядер. На рис. 2 схематически показана структура
нескольких легких ядер.

Нейтрон, как теперь известно, на 0,1% тяжелее протона. Свободные
нейтроны (вне ядра) претерпевают радиоактивный распад, превращаясь в протон
и электрон. Это напоминает о первоначальной гипотезе составной нейтральной
частицы. Однако внутри стабильного ядра нейтроны связаны с протонами и
самопроизвольно не распадаются.

Строение атомного ядра.

Ядро представляет собой центральную часть атома (см. также АТОМА
СТРОЕНИЕ). В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная
часть массы атома; по сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра
чрезвычайно малы: 10–15–10–14 м. Ядра всех атомов состоят из протонов и
нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет
электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z
атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме. Ядерные
частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе
очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни
электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков
превышают силы, связывающие электроны с ядром.
Первое представление об истинных размерах ядра давали опыты Резерфорда
по рассеянию альфа-частиц в тонких металлических фольгах. Частицы глубоко
проникали сквозь электронные оболочки и отклонялись, приближаясь к
заряженному ядру. Эти опыты явно свидетельствовали о малых размерах
центрального ядра и указали на способ определения ядерного заряда.
Резерфорд установил, что альфа-частицы приближаются к центру положительного
заряда на расстояние примерно 10–14 м, а это позволило ему сделать вывод,
что таков максимально возможный радиус ядра.
На основе таких предположений Бор построил свою квантовую теорию
атома, успешно объяснившую дискретные спектральные линии, фотоэффект,
рентгеновское излучение и периодическую систему элементов. Однако в теории
Бора ядро рассматривалось как положительный точечный заряд.
Ядра большинства атомов оказались не только очень малы – на них никак
не действовали такие средства возбуждения оптических явлений, как дуговой
искровой разряд, пламя и т.п. Указанием на наличие некой внутренней
структуры ядра явилось открытие в 1896 А.Беккерелем радиоактивности.
Оказалось, что уран, а затем и радий, полоний, радон и т.п. испускают не
только коротковолновое электромагнитное излучение, рентгеновское излучение
и электроны (бета-лучи), но и более тяжелые частицы (альфа-лучи), а они
могли исходить лишь из массивной части атома. Резерфорд использовал альфа-
частицы радия в своих опытах по рассеянию, которые послужили основой
формирования представлений о ядерном атоме. (В то время было известно, что
альфа-частицы – это атомы гелия, лишенные своих электронов; но на вопрос –
почему некоторые тяжелые атомы спонтанно испускают их, ответа еще не было,
как не было и точного представления о размерах ядра.)

Ядерные силы.
Малый радиус действия ядерных сил впервые отчетливо обнаружился уже в
опытах по рассеянию Резерфорда. Альфа-частицы, приближавшиеся к центру ядра
до 10–14 м, испытывали действие сил, знак и величина которых отличались от
обычного электростатического отталкивания. Более поздние эксперименты с
применением нейтронов показали, что между всеми нуклонами существуют
большие короткодействующие силы. Эти силы отличны от хорошо известных
электростатических и гравитационных сил, не исчезающих даже на очень
больших расстояниях. Ядерные силы являются силами притяжения, что прямо
следует из факта существования устойчивых ядер, вопреки электростатическому
отталкиванию находящихся в них протонов. Ядерные силы между любой парой
нуклонов (нейтронов и протонов) – одни и те же; это показывает сравнение
энергетических уровней зеркальных ... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.