Методика изучения энергии связи ядра и ядерных сил

Вследствие изменений современной школе вопросы ядерной физики и элементарных частиц изучаются в основной (9 класс) и средней (11 класс) общеобразовательной школе и структурно практически совпадают. Материал 11 класса несколько расширяет и углубляет знания учащихся по этому разделу.

При изучении строения атомного ядра необходимо актуализировать знания учащихся, полученные ими в курсе физики основной школы, где достаточно подробно рассматривалась протонно-нейтронная модель ядра, вводились понятия «массовое число», «зарядовое число», символическая запись химического элемента в виде Однако достаточно полно описать особенности и свойства ядерных сил в основной школе было невозможно. Таким образом, формированию знаний о ядерных силах и их свойствах необходимо уделить особое внимание. При этом для облегчения усвоения материала целесообразно сравнивать ядерные силы с уже известными электромагнитными и гравитационными силами и раскрывая конкретное свойство ядерных сил, указывать его причину и опытное подтверждение.

В результате сравнения ядерных сил с электромагнитными и гравитационными, следует выявить следующие свойства ядерных сил: имеют неэлектрическую природу; обладают зарядовой независимостью; являются короткодействующими; не являются центральными. ;ядерные силы обладают свойством насыщения.

Большое внимание следует уделить также понятиям энергии связи ядра и удельной энергии связи, ибо это очень важно для объяснения энергетического выхода ядерных реакций. Учащиеся уже знают, что любая система взаимодействующих тел обладает потенциальной энергией (тела, имеющие массу - гравитационное взаимодействие; заряженные тела – электромагнитное взаимодействие). Энергия связи ядра определяется как энергия, которую нужно затратить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны без сообщения им кинетической энергии. На основе закона сохранения и превращения энергии такая же по величине энергия выделяется при образовании ядер.

Перед введением понятия дефекта масс необходимо объяснить учащимся, что масса покоя ядра меньше суммы масс покоя составляющих его нуклонов. Для этого нужно вспомнить закон взаимосвязи массы и энергии Эйнштейна.

E = mc².

Если при образовании ядра выделяется энергия, то энергия системы уменьшается, а, значит, масса образовавшегося ядра должна быть меньше суммы масс составляющих его нуклонов.

Таким образом, дефектом масс является величина, равная разности суммарной массы свободных протонов и нейтронов и массы образовавшегося ядра

На основании этого вводится формула для расчета энергии связи.

При анализе этой формулы необходимо отметить, что все величины в этой формуле выражены в СИ, то есть масса в кг, скорость света в м/с, энергия – в Дж, что, учитывая малые массы протонов и нуклонов, приводит к громоздким вычислениям при нахождении удельной энергии связи ядра и энергетического выхода ядерных реакций. Нужно ввести новую энергетическую величину, облегчающую расчеты: дефекту масс в 1 а. е. м. соответствует энергия ≈931 МэВ. Тогда массу протона, нуклона и ядра берут в а.е.м., и производят расчет энергии связи ядра в МэВ по формуле

После введения удельной энергии связи ядра как энергии связи, приходящейся на один нуклон, целесообразно рассчитать удельную энергию связи некоторых элементов и проследить за характером её изменения то легких ядер к тяжелым. Этот расчет (при наличии компьютера и MO Excel) не займет много времени, но будет способствовать пониманию графика зависимости удельной энергии связи от массового числа и полезен при объяснении устойчивости элементов, находящихся в середине периодической системы.

Прочное и осознанное усвоение зависимости удельной энергии связи от массового числа позволит обосновать выделение огромного количества энергии за счет деления тяжелых ядер на более легкие (реакции деления ядер) или слияния легких ядер друг с другом в более тяжелые (реакции термоядерного синтеза). А рассматриваемый подход к определению и расчету энергии связи атомного ядра позволяет достаточно легко ввести понятие энергетического выхода ядерных реакции и метода его вычисления.