textarchive.ru

Главная > Учебно-методическое пособие


Данилова О.Т.

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

Учебно – методическое пособие

Омск

2009

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПОРОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТОРГОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОМСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

Кафедра «Торговое дело»

Данилова О.Т.

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

Учебно – методическое пособие

Для студентов, обучающихся по специальности:

080401 «Товароведение и экспертиза товаров

(продовольственных, непродовольственных)»

Омск

2009


УДК 53 (075.4)

Д 18

Рецензенты:

Широков И.В., д.ф.-м.н., профессор Омского филиала НГАВТ

Худякова О.Д., заместитель директора по научно-методической работе, к.т.н., Омского института (филиала) РГТЭУ

Данилова, О.Т. Физика атомного ядра: Учебно–методическое пособие. / О.Т. Данилова – Омск: Издатель ИП Погорелова Е.В., 2009. – 138 с.

Учебно – методическое пособие предназначено для студентов очной, заочной форм обучения по специальности 080401 «Товароведение и экспертиза товаров (продовольственных, непродовольственных)» по курсу «Физика». Оно содержит общие рекомендации к решению и оформлению задач, указания к решению задач по теме «Физика атомного ядра», примеры решения, вопросы для самоконтроля, задачи для самостоятельного выполнения контрольных работ в межсессионный период.

УДК 53 (075.4)

 Данилова О.Т., 2009

 Омский институт (филиал) РГТЭУ, 2009.


Методические указания к выполнению самостоятельной работы.

Требования к оформлению контрольных заданий и разъяснения по использованию таблиц.

Настоящее учебно – методическое пособие соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 080401 «Товароведение и экспертиза товаров (продовольственных, непродовольственных)» по курсу «Физика» и рабочей учебной программе дисциплины, в частности теме «Физика атомного ядра» /1/.

Учебно- методическое пособие преследует две цели:

а) оказать помощь студентам различных форм обучения в изучении темы «Основные положения молекулярно – кинетической теории»;

б) научить студентов самостоятельно решать задачи по физике, поскольку решение задач помогает уяснить смысл явлений, закрепляет в памяти формулы, прививает навыки практического применения теоретических знаний.

Для достижения первой цели в пособии приведен теоретический материал по заданной теме и контрольные вопросы. Вторая цель достигается прежде всего введением значительного числа разнообразных задач и примеров их решения.

Самостоятельную работу выполняют в отдельной тетради. Для замечаний преподавателя оставляют поля. В конце работы следует привести список использованной литературы.

При выполнении работы следует руководствоваться следующими рекомендациями.

1. Приступая к изучению определенного раздела физики, прежде всего следует ознакомиться с содержанием программы по этому разделу /1/.

2. Начиная изучать материал какого – либо параграфа, прежде всего следует прочесть весь параграф для общего ознакомления, не задерживаясь на трудном материале. При повторном чтении рекомендуется вдумываться в смысл приведенного материала, а выводы формул, определения физических величин, единицы их измерения, а также формулироввки законов записывать, используя в затруднительных случаях учебник /2/. Материал можно считать усвоенным, если при его повторении не возникает необходимости заглядывать в книгу или свои предварительные записи (конспект).

Контрольные задания оформляются в обычной тетради (в клетку) или в сброшюрованных листах форматом А4. На титульном листе указываются:

- Ф И О студента, номер группы;

- название контрольного задания и номер варианта.

Порядок оформления решения задач

1. После слова "дано" выписать все величины с их числовыми значениями, которые будут использованы в процессе решения задачи. Числовые значения, исключая те случаи, когда определяются безразмерные отношения, тут же переводить в систему СИ, проставляя рядом соответствующее наименование. После слова "найти" выписать все искомые величины (или отношения величин) со знаком вопроса.

2. Указать те основные законы и формулы, на которых базируется решение данной задачи, и привести их словесную формулировку. Разъяснить смысл буквенных обозначений, входящих в исходную формулу. Если такая формула является частным случаем фундаментального закона, то ее необходимо вывести из этого закона, используя граничные условия.

3. Сделать чертеж или график, поясняющий содержание задачи (в тех случаях, когда это возможно). Выполнить его надо аккуратно, желательно размером на полстраницы, при помощи карандаша, циркуля, линейки, лекал. На чертеже или графике должны быть нанесены обозначения всех буквенных величин, которые используются в расчетных формулах и могут быть пояснены чертежом.

4. Каждый этап решения задачи сопровождать краткими, но исчерпывающими пояснениями.

5. Физические задачи весьма разнообразны и дать единый рецепт их решения невозможно. Однако, как правило, физические задачи следует решать в общем виде, т.е. выразить искомую величину в буквенных обозначениях величин, заданных в условиях задачи и взятых из таблицы. При этом способе не производятся вычисления промежуточных величин; числовые значения подставляются только в окончательную (рабочую) формулу, выражающую искомую величину. Рабочая формула должна быть записана в рационализированной форме, все величины, входящие в нее, выражены в единицах СИ.

6. Подставить в рабочую формулу наименование единиц (в которых выражены заданные числовые значения) и путем упрощающих действий с ними убедиться в правильности наименования искомой величины.

7. Подставить в рабочую формулу числовые значения, выраженные в единицах одной системы (рекомендуется - в СИ). Несоблюдение этого правила приводит к неверному результату. Исключение из этого правила допускается лишь для тех однородных величин, которые входят в виде сомножителей в числитель и знаменатель формулы с одинаковыми показателями степени. Такие величины можно выразить в любых единицах, но обязательно в одинаковых.

8. Произвести расчеты с величинами, подставленными в рабочую формулу, записать в ответе числовое значение и сокращенное наименование единиц измерения искомой величины.

9. При подстановке в рабочую формулу, а также при выражении ответа числовые значения величин записывать как произведение десятичной дроби с одной значащей цифрой перед запятой на десять в соответствующей степени. Например, вместо 3520 надо записать 3,52103 , вместо 0,00129 записать 1,2910-3 и т.д. Рекомендуемая запись числовых значений облегчает расчетные действия с ними, является более компактной и наглядной.

10. Все задачи полезно решать до конца в общем виде (т.е. в буквенных обозначениях), так чтобы искомая величина была выражена через заданные величины. Решение в общем виде позволяет установить закономерность, показывающую, как зависит искомая величина от заданных величин.

11. Получив решение в общем виде, следует подставить в правую часть рабочей формулы вместо символов величин обозначения единиц, произвести с ними необходимые действия и убедиться в том, что полученная при этом единица соответствует искомой величине. Неверная единица измерения есть явный признак ошибочности решения.

12. Числовые значения физических величин всегда являются приближенными. Поэтому при расчетах необходимо руководствоваться правилами действий с приближенными числами. В частности, в полученном значении вычисленной величины нужно сохранить в последнем тот знак, единица которого еще превышает погрешность этой величины. Все следующие цифры надо отбросить.

13. При подстановке в рабочую формулу, а также при записи ответа числовые значения следует записывать как произведение десятичной дроби с одной значащей цифрой перед запятой на соответствующую степень десяти. Например, вместо 3520 надо записать , вместо 0,00129 записать и т.д.

14. Получив числовой ответ, оцените его правдоподобность. Такая оценка поможет в ряде случаев обнаружить ошибочность полученного результата. Так, например, радиус атома не может быть порядка 1 м, скорость тела нее может оказаться больше скорости света в вакууме и т.п.

По данной теме студенты должны выполнить самостоятельную работу, содержащую 5 задач различного уровня сложности и два контрольных вопроса.

По степени сложности задачи различают по трем уровней:

- репродуктивные, связанные с воспроизведением информации в том виде, в котором она излагалась в учебном издании или преподавателем;

- стереотипные, представляющие собой выполнение работы по образцу;

- творческие, предполагающие самостоятельное отыскание способа выполнения задания.

Номера задач и вопросов, а также срок сдачи задания определяются преподавателем.

Навыки в решении задач оцениваются преподавателем по результатам проверки самостоятельной работы и опроса студентов на практических занятиях.

Критерии оценивания индивидуальных заданий

В каждом модуле студент должен решить и защитить 3 задачи. Одна задача оценивается в 20 баллов.

20 баллов

Задача решена верно. В оформлении присутствует «Дано», «Найти», чертеж. Указаны основные законы и формулы, на которых базируется решение, разъяснены буквенные обозначения в формулах, выведена расчетная формула. Проведена проверка единиц измерения. Студент отвечает на вопросы по решению задачи.

17

баллов

В решении отсутствуют разъяснения обозначений, нет проверки единиц измерения, при вычислении допущены арифметические ошибки, которые ставят под сомнение правдоподобность численного ответа. Студент не всегда поясняет ход решения.

13

баллов

В решении имеются недочеты, нет чертежа, нарушена логика решения задачи. Студент затрудняется отвечать на отдельные вопросы.

Верно решенная задача, сданная повторно (в первый раз решение было не верно).

9

баллов

В решении присутствуют элементы верного решения, но при выводе расчетной формулы допущены ошибки. При решении используется "готовая" формула.

5

баллов

Задача решена правильно, но студент не может пояснить ход решения задачи: очевидно, что решение задачи – плод чужого труда.

Правильно решеннаязадача без «защиты».

1. Модели атомного ядра

Развитие исследований радиоактивного излучения, с одной стороны, и квантовой теории - с другой, привели к созданию квантовой модели атома Резерфорда - Бора. Но созданию этой модели предшествовали попытки построить модель атома на основе представлений классической электродинамики и механики. В 1904 году появились публикации о строении атома, одни из которых принадлежали японскому физику Хантаро Нагаока, другие - английскому физику Д.Д.Томсону. Нагаока представил строение атома аналогичным строению солнечной системы: роль Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся "планеты" - электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны.

В атоме Томсона положительное электричество "распределено" по сфере, в которую вкраплены электроны. В простейшем атоме водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Томсоном. Томсон считал каждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Он предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элементов Д.И.Менделеева. Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Томсона .

Резерфорд, усомнившись в этой модели, провёл опыты по изучению рассеяния -частиц. Его опыт состоял в следующем. Схема этого эксперимента Резерфорда приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1. Схема эксперимента Резерфорда.

Αльфа-частицы, излучаемые источником А, пролетев сквозь щель, попадали на экран из сернистого цинка Э. На экране возникало четкое изображение щели в виде узкой полоски.

Затем между щелью и экраном помещалась тонкая металлическая пластина, вернее, - тонкая золотая фольга Ф. При этом изображение щели на экране размывалось, что и указывало на рассеяние α-частиц веществом пластинки.

Именно в этом эксперименте был установлен поразительный факт: очень небольшая часть α-частиц (примерно 1 из 10000!) рассеивалась на значительный угол, отбрасывалась практически назад - к источнику. Позднее статистическая обработка результатов исследования рассеяния α - частиц позволила рассчитать линейный размер ядра атома. Он, по оценке Резерфорда, составил 10-15 м.

Планетарная модель атома с центральным положительно заряженным ядром и с электронами, вращающимися вокруг него по круговым орбитам, была лишь качественным представлением строения атома.

При изучении - частиц Резерфорд, исходя из модели Томсона, подсчитал, что рассеивание - частиц не может давать больших углов отклонений даже при многих столкновениях с частицей. И здесь Резерфорд обратился к планетарной модели. 7 марта 1911 года Резерфорд сделал в философском обществе в Манчестере доклад "Рассеяние и -лучей и строение атома". В докладе он, в частности, говорил: "Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве и -частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала". Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атомного центра, который Резерфорд положил равным ±Ne. Заряд оказался пропорциональным атомному весу. "Точное значение заряда центрального ядра не было определено,- писал Резерфорд, - но для атома золота оно приблизительно равно 100 единицам заряда".

Резерфорд постулировал движение электронов по круговым орбитам, так как статическая модель атома с неподвижными зарядами оказывалась неустойчивой системой.

Но движущиеся по круговой орбите электроны, должны излучать энергию. Ведь согласно законам классической электродинамики, любой ускоренно движущийся заряд является источником электромагнитных волн. Такое непрерывное излучение энергии должно было очень быстро привести к истощению энергии атома и к падению электрона на ядро.

Такое рассеяние -частиц нельзя объяснить, исходя из модели атома Томсона. Поэтому Резерфорд предложил другую модель строения атома, названную ядерной. Согласно этой модели, атом состоит из ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома и обладающего положительным зарядом, вокруг которого вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд. При этом размеры ядра много меньше размеров атома и заряд ядра равен суммарному заряду электронов по абсолютной величине.

Из последующих исследований и экспериментов Гейгера и Мардсена, предпринявших проверку формул Резерфорда, возникло представление о ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и обладающей положительным (Резерфорд считал знак заряда неопределенным) зарядом. При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу.

Заряд ядра оказался важнейшей характеристикой атома. В 1913 году было показано, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. После знакомства с Резерфордом Бор, отказавшись от изучения электронной модели, начал работу в его группе. Обратившись к планетарной модели, Бор создал на ее основе теорию атома Резерфорда-Бора. Резерфорд понял революционный характер идей Бора и обсудил с ним основы этой теории, высказал критические замечания, после чего статьи Бора были опубликованы. Во время Первой Мировой войны Бор продолжает работать в лаборатории Резерфорда. В 1915 году он опубликовал работы "О сериальном спектре водорода" и "О квантовой теории излучения в структуре атома". В 1916 году была опубликована статья Зоммерфельда, где он рассмотрел движение электрона по эллиптическим орбитам и обобщил правила квантования Бора. Бор с восторгом отозвался об этой статье. Теория атома после открытий Зоммерфельда стала называться теорией Бора - Зоммерфельда. В 1936 году Бор выступил со статьей "Захват нейтрона и строение ядра", в которой предложил капельную модель ядра и механизм захвата нейтрона ядром. Странно, но ни Бор, ни другие не могли сразу предсказать деление ядра, подсказываемое капельной моделью, пока в начале 1939 г. не было открыто деление урана.

Капельная модель основана на аналогии между поведением молекул в капле жидкости и нуклонов в ядре – короткодействие ядерных взаимодействий, одинаковая плотность ядерного вещества в разных ядрах (несжимаемость), свойство насыщения ядерных сил. Она трактует ядро как каплю электрически несжимаемой жидкости, подчиняющуюся законам квантовой механики.

Капельная модель объяснила механизмы ядерных реакций, особенно реакции деления ядер, а также позволила получить полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре.

Оболочечная модель - это модель, в которой нуклоны считаются движущимися независимо друг от друга в усредненном центрально – симметричном поле. В соответствии с этим имеются дискретные энергетические уровни, заполняемые нуклонами с учетом принципа Паули.

Эти уровни группируются в оболочки, в каждой из которых может находиться определенное число нуклонов.

Ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми – это, так называемые, магические ядра, у которых число протонов Z или нейтронов N равно одному из магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Ядра, у которых магическими являются и Z, и N, называются дважды магическими.

В 1932 году Д.Д.Иваненко опубликовал заметку, в которой высказал предположение, что нейтрон является наряду с протоном структурным элементом ядра. Однако протонно-нейтронная модель ядра была встречена большинством физиков скептически. Даже Резерфорд полагал, что нейтрон - это лишь сложное образование протона и электрона. В 1933 году Иваненко на конференции в Ленинграде сделал доклад о модели ядра, в котором он защищал протонно-нейтронную модель, сформулировав основной тезис: в ядре имеются только тяжелые частицы. Иваненко отверг идеи о сложной структуре нейтрона и протона. По его мнению, обе частицы должны обладать одинаковой степенью элементарности, т.е. и нейтрон, и протон могут переходить друг в друга. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы - нуклона, и идея Иваненко стала общепринятой, а в 1932 году в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица - позитрон.


Скачать документ

Похожие документы:

  1. Данилова релятивистской механики

    Методическое пособие
    ... к.т.н., Омского института (филиала) РГТЭУ Данилова, О.Т. Основы релятивистской механики: Учебно ... –методическое пособие. / О.Т. Данилова – Омск: Издатель ИП Погорелова Е.В., ... Закон Мозли Элементы физики атомногоядра и элементарных частиц Энергия ...
  2. Атомной энергетики библиографический указатель литературы поступившей в библиотеку иатэ

    Документ
    ... пособие для мед. вузов / ред. Л. А. Данилова. - СПб. : Сотис, 2007. - 152 с. ... регулирование безопасности при использовании атомной энергии" перечня нормативных правовых ... 539.12 И 97 Ишханов Б. С. Частицы и атомныеядра : учеб. для студ. вузов / Б. С. ...
  3. Атомной энергетики библиографический указатель литературы поступившей в библиотеку иатэ (2)

    Документ
    ... пособие для мед. вузов / ред. Л. А. Данилова. - СПб. : Сотис, 2007. - 152 с. ... регулирование безопасности при использовании атомной энергии" перечня нормативных правовых ... 539.12 И 97 Ишханов Б. С. Частицы и атомныеядра : учеб. для студ. вузов / Б. С. ...
  4. Знаки внимания отклики отзывы рецензии

    Документ
    ... в душе нехватило боли. Альтиста Данилова (в романе В.Орлова) наказали повышенной ... видит. Так, невозможно понять атомноеядро, не зная сильных взаимодействий, ... 2 и 4 января, я вспоминал "альтиста Данилова", которого наказали способностью чувствовать все ...
  5. Знаки внимания отклики отзывы рецензии

    Документ
    ... в душе нехватило боли. Альтиста Данилова (в романе В.Орлова) наказали повышенной ... видит. Так, невозможно понять атомноеядро, не зная сильных взаимодействий, ... 2 и 4 января, я вспоминал "альтиста Данилова", которого наказали способностью чувствовать все ...

Другие похожие документы..