Temat

Jądro atomowe i jego składniki

Etap edukacyjny

Trzeci

Podstawa programowa

XI. Fizyka jądrowa. Uczeń:

1) posługuje się pojęciami pierwiastek, jądro atomowe, izotop, proton, neutron, elektron, do opisu składu materii; opisuje skład jądra atomowego na podstawie liczb masowej i atomowej.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Opisuje podstawową strukturę jądra atomowego.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Wyjaśnia, czym są podstawowe składniki materii.

2. Opisuje skład jądra atomowego na podstawie liczb masowej i atomowej.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- posługuje się pojęciami pierwiastek, jądro atomowe, izotop, proton, neutron, elektron do opisu składu materii,

- wyjaśnia, czym jest liczba atomowa i masowa.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Analiza tekstu.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Powtórzenie wiadomości. Nauczyciel rozpoczyna dyskusję stawiając pytania. Uczniowie zapisują wyniki dyskusji na tablicy.

Z czego zbudowana jest materia? Jaka jest najmniejsza niepodzielna cząstka materii?

Realizacja lekcji

Nauczyciel wprowadza podstawowe pojęcia dotyczące jądra atomowego i jego składników.

Budowa atomu:
Atom jest składnikiem materii, który jednoznacznie określa dany pierwiastek. Atomy mają bardzo złożoną strukturę.
Prawie cała masa atomu skoncentrowana jest w niewielkim i bardzo gęstym jądrze, który ma dodatni ładunek. Wartość tego ładunku znana jest jako liczba atomowa pierwiastka.
Wolną przestrzeń wokół jądra zajmują elektrony mające ładunek ujemny wynoszący 1,6022 · 10Indeks górny -19^-19 C. Ładunek ten nazywany jest ładunkiem elementarnym. Masa elektronu jest bardzo mała i wynosi 9,109390 · 10Indeks górny -31^-31 kg. Elektrony zachowują się jak cząstki kwantowe, co oznacza że nie da się określić ich położenia w danym momencie. Zamiast mówić o położeniu elektronu, określamy prawdopodobieństwo znalezienia go w przestrzeni atomu. Promień atomu jest miarą wielkości atomu i zwykle określony jest przez średnią odległość od jądra do granicy obszaru, w której prawdopodobieństwo znalezienia elektronu wynosi 95%. Promienie atomu zwykle wynoszą 30‑300 pm.

[Grafika interaktywna]

Jądro:
Jądro jest zbudowane z dwóch rodzajów cząstek: protonów i neutronów. Protony są naładowane dodatnio, a ich ładunek jest dokładnie taki sam co do wartości jak ładunek elektronu, ale o przeciwnym znaku. W każdym elektrycznie neutralnym atomie liczba protonów jest taka sama jak elektronów. Masa proton równa jest 1,6726 · 10Indeks górny -27^-27 kg. Proton jest 1837 cięższy od elektronu.
Neutron nie posiada ładunku. Jego masa wynosi prawie tyle samo co masa protonu: 1,674929 · 10Indeks górny -27^-27 kg. Większość jąder zawiera taką samą ilość neutronów i protonów.

Kwarki:
Kwark jest cząstką elementarną, czyli najmniejszą niepodzielną cząstką materii. Protony i neutrony zbudowane są z kwarków. Jest sześć kwarków, które pogrupowane są w trzy pary: górny/dolny, powabny/dziwny oraz prawdziwy/piękny. Protony zbudowane są z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego. Neutron zbudowany jest z dwóch kwarków dolnych i jednego górnego. Kwarki górne mają ładunek równy $+\frac{2}{3}$ ładunku elementarnego, a dolne ładunek równy $-\frac{1}{3}$ ładunku elementarnego.

[Ilustracja 1]

[Ilustracja 2]

[Ilustracja 3]

Uczniowie pracują indywidualnie.

Polecenie 1

Oznacz części atomu pokazane na poniższym obrazku.

[Ilustracja 4]

Nauczyciel wprowadza parametry opisujące jądro atomowe.

Liczba atomowa (Z):
Liczba protonów w jądrze nazywana jest liczbą atomową i jest oznaczona symbolem Z. Z protonów w jądrze odpowiada Z elektronom w zewnętrznej części atomu.

Liczba masowa (A):
Suma liczby protonów i neutronów w jądrze nazywana jest liczbą masową i jest oznaczana symbolem A:

gdzie: 
Z - liczba protonów, 
N - liczba neutronów.

Jeśli pierwiastek oznaczony jest przez X, używany jest następujący zapis:

Jeśli znana jest liczba masowa i liczba atomowa pierwiastka, bardzo łatwo obliczyć liczbę neutronów w jądrach.

W niektórych zapisach występuje tylko liczba masowa:

[Ilustracja 5]

Różne rodzaje zapisu struktury atomowej dla tlenu: (od lewej) układ okresowy; podana jest liczbę masowa i liczbę atomowa; podana jest tylko liczba masowa.

Izotopy:
Nuklidy to jądra atomowe o określonej liczbie atomowej Z i liczbie masowej A. Dwa nuklidy o tej samej liczbie atomowej, ale o różnych masach, nazywane są izotopami.

Ponad 300 nuklidów występuje naturalnie na Ziemi.

Niektóre przykłady izotopów:

- Najprostszy pierwiastek - wodór - ma dwa ciężkie izotopy, zwane deuterem i trytem. Mają one własne symbole: D (deuter) i T (tryt).

- Węgiel występuje głównie jako ${}_{}{}^{12}C$. Izotopu ${}_{}{}^{13}C$ jest nieco ponad 1%. Wszystkie inne izotopy węgla są radioaktywne.

[Ilustracja 6]

[Ilustracja 7]

Uczniowie pracują indywidualnie, a następnie pracując w małych grupach sprawdzają poprawność swoich odpowiedzi.

Polecenie 2

Odpowiedz na następujące pytania:

1. Jaka część atomu nie ma ładunku?
2. Jaki jest związek między liczbą protonów i elektronów w atomie?
3. Jakie są składniki protonu i neutronu?
4. Co określa liczba masowa?

Polecenie 3

Wykonaj następujące kroki i określ, do którego pierwiastka należy poniższy atom.

1. Narysuj pięć protonów w jądrze atomu. Zaznacz ich ładunek odpowiednim symbolem.
2. Narysuj sześć neutronów w jądrze atomu.
3. Narysuj dwa elektrony na pierwszym poziomie energii. Zaznacz ich ładunek odpowiednim symbolem.
4. Narysuj trzy elektrony na drugim poziomie energii. Zaznacz ich ładunek odpowiednim symbolem.
5. Jaki pierwiastek reprezentowany jest przez diagram?

Odpowiedź: 
Bor.

Podsumowanie lekcji

Jądro składa się z protonów i neutronów. Protony i neutrony składają się z kwarków. Każdy nuklid charakteryzuje się liczbą masową i liczbą atomową. Dwa nuklidy o tej samej liczbie atomowej, ale o różnych masach, nazywane są izotopami.