Строение атомного ядра. Энергия связи нуклонов

1.

Лекция 7
Строение атомного
ядра
Энергия связи нуклонов в
ядре.
1

2. Гипотеза о том, что вещества состоят из большого числа атомов, зародилась свыше двух тысячелетий назад.

Позиция Демокрита:
«Существует предел
деления – атом».
Позиция Аристотеля:
«Делимость вещества
бесконечна».

3. Конкретные представления о строении атома развивались по мере накопления физикой фактов о свойствах вещества

• 1887г. - Дж. Дж. Томсон доказал существование электрона,
измерил его заряд и массу.
• 1887г. - В. Вебер впервые высказал мысль об
электронном строении атома ( электроны входят в состав
атома)
• 1905г.- Ф. Линдеман утверждал, что атом кислорода имеет
форму кольца, а атом серы- форму лепешки
• 1903-1904г.г. - Дж. Дж. Томсон предложил модель атома в
виде положительно заряженного шара, в котором
«плавают» электроны.

4.

Выстраивалась логическая цепочка
Физическое
тело
Вещество
Молекула
Атом
Оставалось ответить на вопрос –
как устроен атом?
18

5.

• Вещество состоит из
электрически нейтральных
атомов.
• Это означает, что каждый атом
несет одинаковое число
отрицательных и
положительных зарядов.

6. Модель атома Томсона

В 1903г. английский
физик Джозеф Джон
Томсон предложил
одну из первых
моделей строения
атома. «Пудинговая
модель»

7.

(1856-1940 г.г.)
Английский ученый, открывший электрон и
предложивший достаточно разработанную модель атома
Модель атома Томсона
(“ПУДИНГ С ИЗЮМОМ”)
Атом - как некоторое
положительно
заряженное тело с
заключёнными внутри
него электронами.
.
Модель не объясняла
дискретный характер
излучения атома
и его
устойчивость.
20

8. Модель атома Томсона

Атом представлял собой шар,
по всему объему которого
равномерно распределен
положительный заряд.
Внутри этого шара находятся
электроны, которые могут
колебаться около своего
положения равновесия.
Положительный заряд шара
равен по модулю суммарному
отрицательному заряду
электрона, поэтому
электрический заряд атома в
целом равен нулю.

9.

10.

Модели атомов. Опыт Резерфорда
21

11. Опыт Резерфорда

Модель строения атома Томсона нуждалась
в экспериментальной проверке.
Поэтому в 1911 г. Резерфорд
совместно со своими
сотрудниками провел ряд опытов
по исследованию состава и
строения атомов.

12.

Модели атомов. Опыт Резерфорда
(1871-1937 г.г.)
Английский ученый, заложивший основы учения
о радиоактивности и строении атома
Открыл и объяснил
радиоактивное
превращение
химических элементов
Открыл
альфа и бетаизлучение
Сделал вывод о
существовании в
атоме массивного
ядра
Планетарная модель атома
22

13.

Модели атомов. Опыт Резерфорда
Опыт Резерфорда
Альфа-частицы от
радиоактивного источника,
пройдя через диафрагму,
попадают на тонкую
фольгу из золота. Она
имеет толщину около
микрона, т.е. состоит
приблизительно из 3000
атомных слоев.
При попадании альфачастицы на экран
возникает свечение
люминесцентного слоя
23

14.

Выводы по результатам опыта
Резерфорда:
В центре атома находится
массивное положительно
заряженное ядро,
занимающее малый объем атома
Вокруг ядра
движутся электроны,
масса которых значительно
меньше массы ядра
Атом электрически
нейтрален, т.к. заряд ядра
равен модулю
суммарного заряда электронов
26

15.

Модель атома Резерфорда
Атом – положительно заряженная частица (ядро),
вокруг которой вращаются отрицательно заряженные частицы
(электроны)
Ядро
Электроны
27

16.

Рассеяние α-частиц атомом
Томсона
Рассеяние α-частиц атомом
Резерфорда
Если бы заряд
располагался по всему
атому, то α частицы только
отклонялись при своём
движении
Для того, чтобы атом смог
отбросить α частицу,
необходимо чтобы
положительный заряд был
сосредоточен в малой
области в центре атома

17. Планетарная модель атома

18. Планетарная модель атома Резерфорда

Электроны движутся вокруг ядра, подобно
тому как планеты движутся вокруг Солнца
Такой характер движения обусловлен
действием кулоновских (электрических)сил

19. Модель Резерфорда

1. В центре атома находится положительно заряженное
ядро, занимающее ничтожную часть пространства
внутри атома (порядка 10-12 - 10-13 см, что в десятки или
даже в сотни тысяч раз меньше размеров самого атома).
2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома
сосредоточены в его ядре (масса электрона равна 1/1823
а.е.м.).
3. В целом атом нейтрален, из чего следует, что число
внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно
порядковому номеру элемента в периодической таблице.

20. Условное обозначение протона

20

21.

Протон – положительно
заряженная частица.
qp = 1,6 • 10-19 Кл
mp = 1,00728 а.е.м.
mp > me примерно в 1840 раз
21

22. Условное обозначение нейтрона

22

23.

Нейтрон – частица, не имеющая
электрического заряда.
qn = 0
mn = 1,00866 а.е.м.
mn немного > mp
23

24. Характеристики атомных частиц

Масса,
кг
Масса,
а. е. м.
Заряд,
Кл
Протон, p
1,6726·10-27
1,00728
1,6·10-19
Нейтрон, n
1,6749·10-27
1,00866
0
Электрон, e
9,11·10-31
0,00055
-1,6·10-19
Частица

25. Модель Резерфорда

явилась крупным шагом в развитии
знаний о строении атома.
оказалась очень наглядной и полезной
для объяснения многих
экспериментальных данных,
была совершенно необходимой для
объяснения опытов по рассеянию
α-частиц.
Однако оказалась неспособной объяснить
сам факт длительного существования
атома, т. е. его устойчивость

26.

Модель атома Резерфорда не смогла
объяснить все свойства атомов.
По законам классической физики
атом должен излучать электромагнитные волны
(электроны движутся с ускорением.) =>
потенциальная энергия в системе ядро – электрон должна
уменьшаться, что приведет к падению электрона на
ядро
(за время порядка 10–8 с атом прекратил бы свое
существование) .
Однако атомы обычно не излучают электромагнитные
волны, а
электроны не падают на атомные ядра, т.е. атомы
устойчивы.

27.

В 1913 году датский ученый Нильс Бор показал,
что несовпадение с экспериментом выводов,
основанных на модели Резерфорда, возникла
потому, что
поведение микрочастиц и макроскопических
тел нельзя описывать одними и теми же
законами

28. КВАНТОВЫЕ ПОСТУЛАТЫ БОРА

29. Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний)

В атоме существуют стационарные состояния, в которых
он не излучает энергию, при этом электроны в атоме
движутся с ускорением. Каждому стационарному
состоянию соответствует определенная энергия.
Радиус орбиты r и скорость электрона v связаны
квантовым соотношением Бора:
mrv =nћ

30. Второй постулат Бора (правило частот)

При переходе электрона с одной стационарной орбиты на
другую излучается (поглощается) один фотон с энергией
Энергия фотона равна разности энергий стационарных
состояний.

31. Третий постулат Бора

Излучение света происходит при
переходе атома из стационарного
состояния с большей энергией в
стационарное состояние с
меньшей энергией.

32. III постулат

При этом энергия
испущенного атомом
фотона равна разности
энергий стационарных
состояний, а
Частота излучения
определяется по
формуле:
Ek En
h
где, Ek - энергия атома в более высоком энергетическом
состоянии; Еn - энергия атома в более низком
энергетическом состоянии.

33. ПОСТУЛАТЫ БОРА

Таким образом, Бор предположил, что
электрон в атоме не подчиняется законам
классической физики.

34.

Свои постулаты Бор применил для объяснения
излучения и поглощения света атомом водорода.
Третий постулат позволяет вычислить по
известным экспериментальным значениям
энергий стационарных состояний частоты
излучения атома водорода.

35.

36. СЕРИЯ ПАШЕНА- ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

СЕРИЯ ПАШЕНАИНФРАКРАСНОЕ
ИЗЛУЧЕНИЕ
Если атом водорода переходит
из более высоких
энергетических состояний
- в третье: излучение света
происходит в инфракрасном
диапазоне частот;

37. СЕРИЯ БАЛЬМЕРА- ВИДИМЫЙ СВЕТ

СЕРИЯ БАЛЬМЕРАВИДИМЫЙ СВЕТ
Если атом водорода
переходит из более
высоких энергетических
состояний - во второе излучение света
происходит в в видимом
диапазоне;

38. СЕРИЯ ЛАЙМАНА УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Если атом водорода переходит
из более высоких
энергетических состояний - в
первое - излучение света
происходит в ультрафиолетовом
диапазоне.

39. Энергия связи атомных ядер. Ядерные силы

40. Открытие нейтрона.

Английский ученый Дж.
Чедвик выдвинул гипотезу о
существовании нейтральных
частиц, близких по размерам и
массе к протонам.
Эти частицы он назвал
нейтронами.
При прохождении через
вещество нейтроны не теряют
энергию на ионизацию атомов
вещества, поэтому имеют
огромную проникающую
способность.
Дж. Чедвик

41. Протонно–нейтронная модель ядра

Советский физик
Д. Д. Иваненко
и В.Гейзенберг
предложили протоннонейтронную модель
ядра: ядра состоят из
элементарных частиц
двух сортов: протонов
и нейтронов.
Дмитрий
Дмитриевич
Иваненко
(1904-1994)
Вернер Карл
Гейзенберг
(1901-1976)

42. Протонно-нейтронная модель ядра

Согласно этой модели:
- ядра всех химических элементов состоят из нуклонов:
протонов и нейтронов;
- заряд ядра обусловлен только протонами;
- число протонов в ядре равно порядковому номеру
элемента;
- число нейтронов равно разности между атомным
числом и числом протонов
(N=A-Z).

43.

Состав атомного ядра
• Общее число нуклонов в данном ядре
называется массовым числом, обозначается
• Число протонов в ядре называется
зарядовым числом, обозначается
(оно равно номеру химического элемента)
• Число нейтронов в ядре обозначается
• Ядро атома обозначают так же, как и соответствующий
химический элемент,
ставя перед ним вверху – массовое число,
а внизу - зарядовое число
207
• Например:
82 Pb

44.

А – массовое число, которое
показывает :
- массу ядра в целых атомных единицах
массы (а.е.м.)
(1а.е.м. = 1/12 массы атома углерода);
- число нуклонов в ядре;
A=N+Z
где N – число нейтронов в ядре атома.

45. Изотопы

• У одного и того же химического элемента встречаются
атомы с различными по массе ядрами.
• Ядра с одинаковым зарядом, но разными массами
назвали изотопами.
• Изотопы (от греческих слов isos – одинаковый и topos –
место) имеют одинаковый порядковый номер в таблице
Менделеева
• У изотопов одинаковое число протонов, но разное число
нейтронов.
• Изотопы имеют разные физические свойства
• Например: водород имеет три изотопа
1
1
H
протий
2
1
Н
дейтерий
3
1
Н
тритий

46.

47. Единицы измерения массы и энергии в атомной физике

Для массы:
1 а. е. м = 1,6605 ∙ 10−27 кг
Для энергии:
1 эВ = 1,6 ∙ 10−19 Дж

48. Эквивалентность массы и энергии

Эквивале́ нтность ма́ ссы и эне́ ргии
— физическая концепция теории
относительности, согласно которой
полная энергия физического объекта
(физической системы, тела) равна
его (её) массе, умноженной на
размерный множитель квадрата
скорости света в вакууме: