6) applies the principle of energy conservation to the description of nuclear reactions; uses the terms binding energy and mass defectmass defectmass defect; calculates these quantities for any isotope.
The teacher introduces units used commonly in nuclear physics.
Atomic mass unit: Masses of proton, neutron and electron are often given in terms of an atomic mass unit, where one atomic mass unit (u) is defined as the mass of a carbon atom. In nuclear physics the energy is often expressed in electronovolt, where 1 eV = 1,6 ∙ 10Indeks górny -19-19 J. By applying the Einstein law on the equivalence of mass and energy, the mass can be expressed as , hence kg.
[Table 1]
The teacher discusses the quantities describing the properties of nucleusnucleusnucleus.
Mass defectmass defectMass defect: A nucleus consists of protons and neutrons, called commonly nucleons. The original mass of nucleusnucleusnucleus is found to be less than the sum of individual masses of its constituents. Mass defect which is the difference between the sum of the masses of the nucleus constituents and its mass, is equivalent to the energy released during the formation of nucleus.
[Interactive graphics]
The mass defect is given by the formula:
where: mIndeks dolny pp - proton mass, mIndeks dolny nn - neutron mass, mIndeks dolny nucleusnucleus - mass of nucleus.
The students apply the formula describing the mass defectmass defectmass defect in the exercise.
Task 1
is the most abundantabundantabundant isotope of helium. Its mass is 6,6447 ∙ 10Indeks górny -27-27 kg. What is the mass defect?
Answer:
Mass of constituents m = 2p + 2n where:
m = 6,6950 ∙ 10Indeks górny -27-27 kg,
mass defect: Δm = 6,6950 ∙ 10Indeks górny -27-27 kg – 6,6447 ∙ 10Indeks górny -27-27 kg = 5,03 ∙ 10Indeks górny -29 Indeks górny koniec-29 kg.
Binding energybinding energyBinding energy: The nuclear binding energy accounts for the noticeable difference between the actual mass of nucleus and its expected mass. This is the energy necessary to hold the nucleus together.
According to the Einstein's law of conversion of mass to energy the binding energy of nucleus is given as:
where: Δm - the mass defect, c - the speed of the light.
To predict stabilitystabilitystability of nucleusnucleusnucleus binding energy per nucleonnucleonnucleon is often used:
where: A - mass number of the given kernel.
The binding energy per nucleon is the amount of energy that must be delivered to the nucleus to extract one nucleon from it. If you want to obtain independent free particles instead of a nucleus, you should provide energy equal to the total binding energy.
In the graph the binding energy per nucleon as a function of mass number is presented.
Calculate binding energybinding energybinding energy of the nuclide where the mass of its nucleusnucleusnucleus is 10,0129 u. Write the result in J and MeV.
Answer:
Total mass of nucleons m = 5p + 5n = 10,079705 u.
Δm = 0,066805 u = 1,1093 ∙ 10Indeks górny -28-28 kg.
Deficyt masy, który jest różnicą między sumą mas składników jądra a jego masą, jest równoważny energii uwolnionej podczas tworzenia jądra. Energia wiązania jest energią potrzebną do rozdzielenia protonów i neutronów jądra atomowego.
- Średnia energia wiązania na nukleon wynosi około 8 MeV. Tylko lżejsze jądra mają mniejszą energię wiązania na nukleon. - Maksymalna energia wiązania na nukleon przypada dla liczby masowej A około 50. Jądro żelaza znajduje się w pobliżu maksimum. Jego energia wiązania na nukleon wynosi 8,8 MeV, co czyni go jednym z najbardziej stabilnych nuklidów. - Jądra o bardzo małej lub bardzo dużej liczbie masowej mają mniejszą energię wiązania na nukleon i są mniej stabilne.
mda372fceaaf4d11e_1528449000663_0
Dlaczego jądro jest trwałe – deficyt masy i energia wiązania
mda372fceaaf4d11e_1528449084556_0
Trzeci
mda372fceaaf4d11e_1528449076687_0
XI. Fizyka jądrowa. Uczeń:
6) stosuje zasadę zachowania energii do opisu reakcji jądrowych; posługuje się pojęciami energii wiązania i deficytu masy; oblicza te wielkości dla dowolnego izotopu.
mda372fceaaf4d11e_1528449068082_0
45 minut
mda372fceaaf4d11e_1528449523725_0
Stosuje zasadę zachowania energii do opisu reakcji jądrowych.
mda372fceaaf4d11e_1528449552113_0
1. Posługuje się pojęciami energii wiązania i deficytu masy.
2. Oblicza energię wiązania i deficyt masy dla dowolnego izotopu.
mda372fceaaf4d11e_1528450430307_0
Uczeń:
- wyjaśnia pojęcia energii wiązania i deficytu masy,
- oblicza energię wiązania i deficyt masy dla dowolnego izotopu.
mda372fceaaf4d11e_1528449534267_0
1. Dyskusja.
2. Doświadczenie.
mda372fceaaf4d11e_1528449514617_0
1. Praca indywidualna.
2. Praca grupowa.
mda372fceaaf4d11e_1528450127855_0
Uczniowie przypominają, jaka strukturę ma jądro atomowe. Na tablicy rysują szkic jądra atomowego.
Jak wygląda struktura jądra atomowego?
mda372fceaaf4d11e_1528446435040_0
Nauczyciel wprowadza jednostki używane powszechnie w fizyce jądrowej.
Jednostka masy atomowej: Masy protonu, neutronu i elektronu są często podawane w jednostkach masy atomowej, gdzie jedna jednostka masy atomowej (u) jest zdefiniowana jako masy atomu węgla . W fizyce jądrowej energia jest często wyrażana w elektronowoltach, gdzie 1 eV = 1,6 ∙ 10Indeks górny -19-19 J. Stosując prawo Einsteina o równoważności masy i energii, masę można wyrazić jako , stąd kg.
[Tabela 1]
Nauczyciel omawia wielkości opisujące właściwości jądra.
Deficyt masy: Jądro składa się z protonów i neutronów, nazywanych powszechnie nukleonami. Pierwotna masa jądra okazuje się być mniejsza niż suma mas poszczególnych jego składników. Deficyt masy, który jest różnicą między sumą mas składników jądra a jego masą, jest równoważny energii uwolnionej podczas tworzenia jądra.
[Grafika interaktywna]
Deficyt masy oblicza się za pomocą wzoru:
gdzie: mIndeks dolny p - Indeks dolny koniecp - masa protonu, mIndeks dolny n - Indeks dolny koniecn - masa neutronu, mIndeks dolny jj - masa jądra.
Uczniowie stosują formułę opisującą deficyt masy w ćwiczeniu.
Polecenie 1
jest najczęściej występującym izotopem helu. Jego masa wynosi 6,6447 ∙ 10Indeks górny -27-27 kg. Ile wynosi deficyt masy?
Energia wiązania: Energia wiązania jądra odpowiada za zauważalną różnicę między rzeczywistą masą jądra a jego spodziewaną masą. Jest to energia niezbędna do utrzymania jądra razem.
Zgodnie z prawem Einsteina o równoważności masy i energii, energia wiązania jądra wynosi:
gdzie: Δm - deficyt masy, c - prędkość światła.
W celu określenia stabilności jądra często wykorzystuje się energię wiązania na nukleon:
gdzie: A - liczba masowa danego jądra.
Energia wiązania na nukleon jest ilością energii, która musi zostać dostarczona do jądra, aby wybić z niego jeden nukleon. Jeśli chcemy uzyskać niezależne swobodne cząstki zamiast jądra, to musimy dostarczyć energię równą całkowitej energii wiązania.
Na wykresie przedstawiono energię wiązania na nukleon w funkcji liczby masowej.
- Średnia energia wiązania na nukleon wynosi około 8 MeV. Tylko lżejsze jądra mają mniejszą energię wiązania na nukleon. - Maksymalna energia wiązania na nukleon przypada dla liczby masowej A około 50. Jądro żelaza znajduje się w pobliżu maksimum. Jego energia wiązania na nukleon wynosi 8,8 MeV, co czyni go jednym z najbardziej stabilnych nuklidów. - Jądra o bardzo małej lub bardzo dużej liczbie masowej mają mniejszą energię wiązania na nukleon i są mniej stabilne.
[Ilustracja 1]
Uczniowie rozwiązują proste zadania.
Polecenie 2
Oblicz energię wiązania nuklidu , gdzie masa jego jądra wynosi 10,0129 u. Zapisz wynik w J i MeV.
Odpowiedź:
Sumaryczna masa nukleonów m = 5p + 5n = 10,079705 u.
Δm = 0,066805 u = 1,1093 ∙ 10Indeks górny -28-28 kg.
Deficyt masy, który jest różnicą między sumą mas składników jądra a jego masą, jest równoważny energii uwolnionej podczas tworzenia jądra. Energia wiązania jest energią potrzebną do rozdzielenia protonów i neutronów jądra atomowego.