Урок 44. Движение как качественное изменение. Ядерные реакции
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс.

Урок 44. Движение как качественное изменение. Ядерные реакции

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Могут ли одни химические элементы превращаться в другие? Когда было открыто явление радиоактивности и как оно изучалось? Каковы особенности процесса радиоактивного распада? Как происходят ядерные реакции?

Глоссарий по теме:

Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Нуклид (от лат. nucleus – ядро) – вид атомов с определенным значением заряда ядра Z (число протонов в ядре) и массового числа А (сумма числа протонов и нейтронов в ядре).

Изотопы (от греч. isos – равный, одинаковый; topos – место) – это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которого имеют одинаковое число протонов и различное число нейтронов.

Атомное ядро – положительно заряженная центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов (нуклонов).

Ядерная физика – раздел физики, изучающий структуры и свойства атомных ядер и их превращений – процессов радиоактивного распада и ядерных реакций.

Радиоактивность (от лат. radio – испускаю, излучаю и actives – действенный) – свойство атомных ядер самопроизвольно изменять свой состав путем испускания элементарных частиц или ядер.

Радиоактивный распад – спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер путем испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов.

Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина исходного числа радиоактивных атомов.

Ядерные реакции – это превращение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами, гамма-квантами или друг с другом.

Деление ядер – процесс, при котором из одного ядра возникают два ядра близких по массе.

Цепные ядерные реакции – это ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1.	Естествознание. 10 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017. – С. 193-195.

2. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика Ч. 1. Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 243-257..

3. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 275-291.

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

Статья: Радиоактивный распад // Научно-популярный портал «Элементы». URL: http://elementy.ru/trefil/21197/Radioaktivnyy_raspad

Статья: Ядерный распад и синтез // Научно-популярный портал «Элементы». URL: http://elementy.ru/trefil/21178/Yadernyy_raspad_i_sintez

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Столетиями алхимики, веря в трансмутацию, пытались найти средство, позволяющее превращать одни элементы в другие, но сделать это в ходе химических превращений оказалось невозможным. Превращать одни химические элементы в другие стало возможным только в XX столетии, когда человек научился осуществлять ядерные реакции. Изучением структуры и свойств атомных ядер и их превращений – процессов радиоактивного распада и ядерных реакций, занимается ядерная физика.

В конце XIX века французский физик Антуан Анри Беккерель (1852 – 1908), изучая флуоресценцию солей урана, обнаружил, что эти соединения испускают неизвестное излучение, засвечивающее завёрнутую в чёрную бумагу фотопластинку. При этом обнаруженное излучение соли урана испускали независимо от того облучались они светом или нет. Новым явлением заинтересовались французские учёные Пьер Кюри (1859 – 1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867 – 1934). В 1897 – 1898 гг. они установили, что обнаруженное излучение является свойством урана, которое не зависит от того, в каком соединении этот элемент содержится. Исследуя в 1898 г. урановую руду, учёные открыли два новых химических элемента – полоний и радий, которые также обладали радиоактивностью – такое название они предложили для обнаруженного самопроизвольного испускания атомами излучения (от лат. radio – испускаю, излучаю и actives – действенный).

Изучение радиоактивного излучения позволило обнаружить его неоднородность. Так в 1899 г. английский физик Эрнест Резерфорд (1871 – 1937) установил, что магнитное поле разделяет излучение на две составляющие, обладающие положительными и отрицательными зарядами. Эти составляющие радиоактивного излучения получили название альфа-лучи и бета-лучи (по первым буквам греческого алфавита). В 1900 г. французский физик и химик Поль Виллар (1860 – 1934) сумел выделить еще одну составляющую, которая не отклонялась магнитным полем – гамма-лучи. Анри Беккерелем было установлено, что бета-лучи представляют собой поток электронов. В 1908 г. Э. Резерфордом совместно с немецким физиком Хансом Гейгером (1882 – 1945) было доказано, что альфа-частицы являются ядрами атома гелия (заряд Z = +2 и массовое число A = 4).

Радиоактивное излучение свидетельствует о том, что ядра атомов претерпевают распад, в результате которого они превращаются в ядра новых химических элементов. Выяснилось, что радиоактивностью обладают многие элементы, присутствующие в земной коре. Более того, все химические элементы, расположенные в периодической системе за висмутом, радиоактивны: все их нуклиды нестабильны. Нуклидом (от лат. nucleus – ядро) называют вид атомов с определенным значением заряда ядра и массой. Для обозначения нуклида используют название химического элемента, к которому через дефис записываю массовое число (например, уран-238) или знак химического элемента, рядом с которым наверху указывают массовое число, а внизу заряд ядра (например, 23892U). Разные нуклиды одного элемента по отношению друг к другу являются изотопами. Изотопы (от греч. isos – равный, одинаковый; topos – место) – это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которого имеют одинаковое число протонов и различное число нейтронов.

На рубеже XIX –XX вв. было установлено, что существует три вида самопроизвольных ядерных превращений (позже были обнаружены и другие виды, но они менее распространены).

Альфа-распад (α-распад) – самопроизвольное (спонтанное) изменение состава нестабильных атомных ядер, сопровождающееся испусканием α-частиц, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов (ядро атома гелия 42He). Примером такого распада может служить превращение радия-226 в радон-222:	22688Ra → 22286Rn + 42α (где 42α – альфа-частица или ядро атома гелия).

Бета-распад (β-распад) происходит в результате того, что один из нейтронов нестабильного атомного ядра превращается в протон, при этом ядро испускает электрон и легкую частицу, называемую антинейтрино. Записать процесс можно следующим образом: 10n → 11p + -1e + ~ν. Примером такого радиоактивного распада может быть превращение тория-234 в протактиний-234:	23490Th → 23491Pa + -1e + ~ν.

Гамма-распад (γ-распад) представляет собой процесс испускания возбужденным ядром атома излучения с очень малой длиной волны – гамма-квантов. При этом изменение заряда ядра атома не происходит.

При всех этих распадах энергия ядра уменьшается. А что при этом происходит с зарядом ядра и массой? При α-распаде массовое число уменьшается на четыре единицы, а заряд ядра элемента – на две. При β-распаде атомный номер элемента увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. При γ-излучении, которое часто (но не всегда) сопутствует α- и β-распаду, ни атомный номер, ни массовое число не изменяются.

В ходе радиоактивного распада число имеющихся исходных атомов постепенно убывает. Изучая процессы радиоактивного распада во времени, Э. Резерфорд обнаружил, что через определенный промежуток времени – различающийся для разных элементов, количество того или иного радиоактивного элемента уменьшается в два раза. Этот промежуток времени, в течение которого распадается половина исходного числа радиоактивных атомов, был назван периодом полураспада Т1/2. Период полураспада характеризует скорость радиоактивного процесса и различается для разных радиоактивных изотопов. Если изотоп распадается быстро, то он называется короткоживущим. Значения Т1/2 для таких изотопов могут составлять 10-12 – 10-10 с и даже меньше. Примером может служить сверхлегкий изотоп кислорода-12, период полураспада которого составляет 10–21 с, или изотоп свинца-210 с периодом полураспада 1,5·10–4 с. Период полураспада долгоживущих, медленно распадающихся атомов, может достигать миллиардов лет. Так, например, для урана-238 период полураспада составляет 4,47·109 лет, для тория-232 – 1,405·1010 лет. Следует отметить, что скорость распада не зависит от внешних условий. Радиоактивный распад является статистическим процессом, поэтому нельзя определить, какой именно атом распадется в данный момент времени. Т.е ядро данного радиоактивного изотопа, родившееся только что, и ядро этого же изотопа, просуществовавшее миллионы лет имеют одинаковую вероятность распасться. Можно определить только среднее время жизни радиоактивного атома, если имеется большое число таких атомов. Изменение числа атомов в процессе радиоактивного распада описывается законом радиоактивного распада: N = N0 2–t/T1/2, где N0 – число радиоактивных атомов в начальный момент времени t=0, N – число нераспавшихся атомов к моменту времени t, Т1/2 – период полураспада.

В 1919 г. изучая воздействие альфа-излучения на различные газы, Э. Резерфорд обнаружил, что в результате бомбардировки альфа-частицами атомов азота получаются атомы кислорода. Этот процесс можно описать следующим образом: 147N + 42α → 178O + 11p (где 11p – протон или ядро атома водорода 11H). Таким образом, Резерфордом было осуществлено первое искусственное превращение элементов – ядерная реакция. Напомним, что ядерной реакцией называются превращение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами, гамма-квантами или друг с другом. От химической ядерная реакция отличается тем, что в ходе её изменяются ядра атомов, т.е. атомы одних элементов, превращаются в атомы других химических элементов. И ядерная реакция, и радиоактивный распад являются превращением одного атомного ядра (химического элемента) в другое ядро. Но если радиоактивный процесс происходит самопроизвольно и не зависит от внешнего воздействия, то ядерная реакция, наоборот, вызывается воздействием на атомное ядро других частиц (ядер, протонов, нейтронов, гамма-квантов).

Бомбардировкой альфа-частицами ядер различных атомов удалось осуществить множество ядерных превращений. В 1932 г. при бомбардировке альфа-частицами атомов бериллия английским физиком Джеймсом Чедвиком (1891 – 1974) был открыт нейтрон. Происходящий ядерный процесс можно изобразить следующим образом: 94Ве + 42α → 126С + 10n (где 10n – нейтрон). В 1934 г. французскими физикам Ирен Жолио-Кюри (1897 – 1956) и Фредериком Жолио-Кюри (1900 – 1958) была открыта искусственная радиоактивность – самопроизвольный распад нестабильных атомных ядер, полученных в ходе ядерных реакций. При облучении альфа-частицами алюминия им удалось получить не существующий в природе радиоактивный изотоп фософра-30. Уравнение, протекающей ядерной реакции можно представить следующим образом: 2713Al + 42α → 3015P + 10n. Период полураспада изотопа фосфора-30 составляет около 2,5 минут, при этом в ядре этого изотопа один из протонов превращается в нейтрон с испусканием позитрона (античастица электрона +1e) и нейтрино: 11p → 10n + +1e + ν. Процесс, происходящий с ядрами изотопа фосфора-30 можно записать следующим образом: 3015Р → 3014Si + +1e + ν.

Дальнейшие исследования показали, что с помощью ядерных реакций можно не только одни химические элементы превращать в другие, но и синтезировать новые элементы. Так в 1937 г. при облучении молибдена ядрами тяжёлого изотопа водорода дейтерия 21H был впервые искусственно получен, а не выделен из природных соединений, химический элемент технеций Тс, получивший свое название от греческого слова «techne» – искусство, ремесло. В 1940 г. предсказанный Д.И. Менделеевым «экаиод» – химический элемент астат At, был получен искусственным путем в ходе ядерной реакции 20983Bi + 42α → 21185At + 2 10n.

Положительно заряженные частицы (протон, альфа-частица и др.), используемые в ядерных реакциях, испытывают сильное отталкивание при приближении к ядрам атомов, с которыми они должны взаимодействовать. Чтобы преодолеть это отталкивание альфа-частицы, протоны и т.д. должны обладать достаточно большой энергией, для этого их разгоняют с помощью специальных устройств – ускорителей. Первый ускоритель (циклотрон) был создан в 1931 году американским физиком Эрнестом Орландо Лоуренсом (1901 – 1958). С помощью циклотрона стало возможным проводить разнообразные ядерные реакции. Так, в 1932 г. Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном была проведена первая ядерная реакция на быстрых протонах. Бомбардируя протонами литий, учёным удалось расщепить его на две альфа-частицы: 73Li + 11H → 42He + 42He.

Наибольший интерес представляют реакции, проводимые с использованием нейтронов. Лишенные заряда нейтроны не испытывают отталкивания атомных ядер и легко в них проникают. Потоки нейтронов получают в результате ядерных реакций в ускорителях и в ядерных реакторах. Приведем несколько примеров ядерных реакций, вызываемых нейтронами: 2311Na + 10n → 2411Na + γ,

5927Co + 10n → 6027Co + γ. Подобные реакции применяются для получения новых изотопов: 3517Cl + 10n → 3516S + 11p или 2713Al + 10n → 2411Na + 42He.

Большой практический интерес представляют реакции, вызываемые бомбардировкой нейтронами ядер урана-235 23592U. После поглощения нейтрона 23592U + 10n → 23692U ядро урана испытывает вынужденное деление, что приводит к образованию двух новых ядер и одновременно освобождается 2 или 3 нейтрона 10n. В результате такой реакции образуется смесь изотопов с массовыми числами равными приблизительно половине массового числа делящегося урана (смесь изотопов 9236Kr, 14156Ba и др.). Например: 23592U + 10n→ 23692U*→14456Ва + 8936Kr + 3 10n. При делении каждого ядра урана выделяется энергии порядка 200 МэВ. Процесс, при котором из одного атомного ядра возникает два близких по массе ядра, называют делением ядер.

Ядерный реактор оказался настоящей фабрикой радиоактивных изотопов.

Ядра изотопа 23592U могут захватывать нейтроны с небольшой энергией около 5 – 10 эВ (500 – 1000 кДж) – так называемые тепловые нейтроны, а нейтроны, образующиеся при делении ядра 23692U, обладают в миллионы раз большей энергией. Поэтому, чтобы реакция шла дальше за счет вылетающих при делении ядра нейтронов, их необходимо замедлить. Тогда пойдет цепная реакция деления урана – выделившиеся нейтроны, после замедления, будут захватываться другими ядрами 23592U и т. д. Ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций называются цепными ядерными реакциями. Осуществление таких реакций сопровождается выделением энергии и имеет большое практическое значение.

Резюме теоретической части.

1. В природе существуют разновидности атомов одного и того же элемента – изотопы, отличающиеся массами из-за разного содержания в ядрах их атомов нейтронов. В природе существуют радиоактивные изотопы, способные самопроизвольно изменять состав своих ядер. Все изотопы химических элементов, следующих за висмутом Bi в периодической системе химических элементов, являются радиоактивными. Многие химические элементы были получены искусственным путем в ходе ядерных реакций.

2. Превращение атомов одних химических элементов в другие возможно входе процессов радиоактивного распада и ядерных реакций. Изучением этих процессов занимается ядерная физика, зарождение которой началось на рубеже XIX – XX веков.

3. Процессы радиоактивного распада протекают самопроизвольно. В результате у ядер атомов изменятся состав и испускаются элементарные частицы, гамма-кванты или ядерные фрагменты. Наиболее распространенными являются α-распад, β-распад и γ-распад. Скорость радиоактивного процесса не зависит от внешних условий и характеризуется периодом полураспада, который сильно различается для радиоактивных изотопов разных химических элементов. Радиоактивный распад является статистическим процессом, который количественно описывается законом радиоактивного распада.

4. Ядерные реакции, в отличие от процессов радиоактивного распада, протекают под внешним воздействием – атомные ядра бомбардируют другими ядрами, элементарными частицами или гамма-квантами. Бомбардирующие частицы чаще всего разгоняют с помощью специальных устройств – ускорителей. Наибольший интерес представляют ядерные реакции, проводимые с использованием нейтронов, потоки которых получают в результате ядерных реакций в ускорителях и в ядерных реакторах. Открытие деления ядер урана привело к осуществлению цепных ядерных реакций, которые имеют большое практическое значение.

5. Качественные изменения, происходящие с атомными ядрами в ходе процессов радиоактивного распада и ядерных реакций, можно рассматривать как одну из форм движения материи.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

1. Укажите верные утверждения:

Утверждение

Правильный ответ и пояснение

А. Ядерные реакции приводят к превращению атомов одних химических элементов в другие.

Правильное утверждение. Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. В ходе ядерных реакций происходят изменения ядер атомов, в большинстве случаев меняется число протонов в ядре. Следовательно, в этих случаях происходит превращение атомов одних химических элементов в другие.

Б. Радиоактивность атома химического элемента зависит от того, в каком химическом соединении он находится.

Неправильное утверждение. Радиоактивность – это свойство атомного ядра химического элемента, поэтому это свойство никак не зависит от того, в каком химическом соединении атом данного элемента находится.

В. В ходе альфа-распада образуется атомное ядро с зарядом на две единицы и массой на четыре единицы меньше, чем у исходного атомного ядра.

Правильное утверждение. Альфа-распад сопровождается испусканием атомным ядром альфа-частиц – ядер атома гелия 42He, состоящих из двух протонов и двух нейтронов. Испустив альфа-частицу и потеряв два протона и два нейтрона, образовавшееся атомное ядро будет иметь массу на четыре единицы, а заряд на две единицы меньше, чем исходное ядро.

2. Установление соответствие между элементами двух множеств. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.

Описание процесса

Вид явления

1. При облучении молибдена ядрами тяжёлого изотопа водорода дейтерия 21H был впервые был искусственно получен химический элемент технеций Тс.

А. Явление радиоактивности

Б. Ядерная реакция

2. В результате испускания ядром изотопа радия-226 альфа-частицы образуется изотоп радона-222.

3. При захвате ядром алюминия-27 нейтрона образуется ядро натрия-24 и альфа-частица.

Правильный ответ:1 – Б; 2 – А; 3 – Б.

Описание процесса

Вид явления

1. При облучении молибдена ядрами тяжёлого изотопа водорода дейтерия 21H был впервые был искусственно получен химический элемент технеций Тс.

Б. Ядерная реакция

2. В результате испускания ядром изотопа радия-226 альфа-частицы образуется изотоп радона-222.

А. Явление радиоактивности

3. При захвате ядром алюминия-27 нейтрона образуется ядро натрия-24 и альфа-частица.

Б. Ядерная реакция