Liczba atomowa i liczba masowa, czyli jak opisać skład jądra ..., Ćwiczenia z Fizyka

Pobierz Liczba atomowa i liczba masowa, czyli jak opisać skład jądra ... i więcej Ćwiczenia w PDF z Fizyka tylko na Docsity! Liczba atomowa i liczba masowa, czyli jak opisać skład jądra atomu? Wprowadzenie Przeczytaj Grafika interaktywna (schemat) Sprawdź się Dla nauczyciela Czy to nie ciekawe? Czy wiesz, że znamy obecnie około 3500 różnych jąder atomowych, a szacowana liczba wszystkich możliwych jąder atomowych sięga 7000? W tym e‐materiale dowiesz się, jak jednoznacznie opisać skład dowolnego jądra atomowego. Dowiesz się również, co nazywamy liczbą atomową, a co liczbą masową oraz jak rozróżnić izotopy, izobary i izotony. Twoje cele W tym e‐materiale: nauczysz się jednoznacznie opisywać skład jąder atomowych, dowiesz się, co opisują liczba atomowa i liczba masowa, poznasz sposób zapisu składu jąder atomowych stosowany w fizyce jądrowej, nauczysz się rozróżniać izotopy, izobary i izotony, objaśnisz, co to są jądra lustrzane. Zderzacz hadronów. Żródło CERN Liczba atomowa i liczba masowa, czyli jak opisać skład jądra atomu? A = 9 N = 5Z = 4 Rys. 4. Jądro atomu dziewiątego izotopu berylu zawiera dziewięć nukleonów Zachodzi oczywisty związek . Jądra atomów różnych pierwiastków o tej samej liczbie masowej nazywamy izobarami. Izobarami są zatem jądra zbudowane z takiej samej liczby nukleonów, różniące się między sobą liczbą atomową. W nazewnictwie stosowanym w fizyce jądrowej liczba masowa jest częściej używana niż liczba neutronów. Zdecydowały o tym względy praktyczne. Podanie nazwy pierwiastka wraz z liczbą masową jednoznacznie określa, o jaki izotop nam chodzi (Rys. 5.). Jednoznacznie określa też skład jego jądra atomowego. Be Z = 4 9 (N + Z = 9) N = 5 Rys. 5. Jądro atomu najłatwiej określić podając symbol pierwiastka i liczbę masową izotopu tego pierwiastka Fizyk jądrowy prosząc drugiego fizyka jądrowego o izotop uranu ( ) o liczbie neutronów powie po prostu: “Podaj mi, proszę, uran‐238”. Skład dowolnego jądra atomowego można opisać stosując różne notacje. Najbardziej podstawowym jest zapis: A = Z +N Z= 92 N= 146 A X gdzie oznacza symbol pierwiastka, a  oznacza liczbę masową. Jądro uranu‐238 możemy zatem zapisać jako . Często spotykany jest również zapis uwzględniający liczbę atomową pierwiastka : W tym zapisie jądro uranu‐238 zapisujemy jako . Najbardziej rozbudowany zapis, ale również najrzadziej stosowany, uwzględnia również liczbę neutronów : Używając tej metody zapisujemy . Podane powyżej metody zapisu składu jąder atomowych mają również swoje zastosowanie w zapisie reakcji jądrowych i przemian promieniotwórczych. Więcej na ten temat możesz przeczytać w e‐materiałach “Zapis równań reakcji jądrowych” oraz “Zasada zachowania ładunku elektrycznego i całkowitej liczby nukleonów w reakcjach jądrowych”. Więcej na temat budowy jądra atomowego możesz dowiedzieć się w e‐materiale “Jak definiujemy jądro atomowe?”. Struktura nukleonów jest omówiona w e‐materiale “Z jakich kwarków składa się proton, a z jakich neutron?”. Słowniczek Izobary jądra atomowe o takiej samej liczbie nukleonów. Izotony jądra atomowe o takiej samej liczbie neutronów. Izotopy atomy tego samego pierwiastka różniące się między sobą liczbą neutronów w jądrze atomowym. Liczba atomowa liczba protonów w jądrze atomowym. Liczba masowa sumaryczna liczba protonów i neutronów w jądrze atomowym. Nukleony X A 238 U Z A Z X 238 92 U N A Z X N 238 92 U 146 składniki jąder atomowych, wspólna nazwa dla protonów i neutronów. 1 fm czyt. femtometr, jednostka odległości używana w fizyce jądrowej równa .10 −15 m 4. Na przedłużeniu ścieżki stabilności Występują tu jądra niestabilne, ale nie tylko za względu na przemiany β, jak w obszarach 2. (czerwonym) i 3. (niebieskim). Żółty obszar pokazuje jądra podlegające przemianie α. Czasy połowicznego zaniku jąder w obszarze 4. są bardzo różne. Znamy obecnie dwie "wyspy stabilności” – leżą one na przedłużeniu zielonego obszaru, w okolicach Z = 90 oraz Z = 112. Nazwa może być nieco myląca, bo zawierają one jądra atomowe niestabilne. Jednak czasy połowicznego ich zaniku bywają zaskakująco długie: w pierwszej wyspie nawet do miliardów lat, zaś w drugiej do niecałej godziny. 5. Jeszcze dalej za ścieżką stabilności Jest to obszar niezbadany eksperymentalnie. Istnieją w nim jądra atomowe – tak teoretycznie przypuszczamy. Wszystkie one powinny być niestabilne, podlegając przede wszystkim przemianom α oraz β. Przewidujemy także istnienie kolejnych wysp stabilności, ale ich odkrycie, zbadanie i udokumentowanie to sprawa dla Twojego pokolenia... 6. Układy niezwiązane - za dużo protonów Zdecydowana większość kombinacji (N; Z) nie prowadzi do powstania jądra atomowego. Nukleony w zupełnie niedobranych proporcjach nie tworzą nawet niestabilnych układów związanych, jak w obszarze 2. Gdybyśmy spróbowali je upakować, to rozsypałyby się one. (Znamy jeden wyjątek od tej zasady – to powstanie gwiazdy neutronowej – więcej o tym piszemy przy obszarze 7.) W obszarze 6. stan związany nie powstaje ze względu na skrajny nadmiar protonów. 7. Układy niezwiązane - za dużo neutronów Zdecydowana większość kombinacji (N; Z) nie prowadzi do powstania jądra atomowego. Nukleony w zupełnie niedobranych proporcjach, gdy panuje wśród nich nadmiar neutronów, nie tworzą nawet niestabilnych układów związanych, jak w obszarze 3. Jest jednak niezmiernie ciekawy wyjątek od tej zasady. Gdy w jądrze gwiazdy brakuje już paliwa na reakcje termojądrowe, to zapada się ono pod własnym ciężarem. Jeśli dodatkowo jest ono wystarczająco masywne, to może przekroczyć próg tzw. neutronizacji materii. Proces ten polega na wymuszonym łączeniu się protonów z elektronami, wskutek czego masowo powstają neutrony (te pozostają w jądrze gwiazdy) oraz neutrina (te ulatują z wnętrza gwiazdy). W efekcie powstaje obiekt zwany gwiazdą neutronową. Składa się on niemal w 100% z neutronów, z niewielką domieszką protonów i elektronów. Jego stabilność wynika jednak z dominującego w tych warunkach oddziaływania grawitacyjnego miedzy neutronami. Diagram neutronowo-protonowy pokazuje podział układów nukleonów, w tym jąder atomowych, na charakterystyczne grupy. Służy m.in. do uszeregowania wszystkich zbadanych eksperymentalnie jąder atomowych Polecenie 2 Na diagram neutronowo-protonowy naniesiono linię „Z = N”. Na tej linii znajdują się jądra atomowe, w których liczba protonów i neutronów jest jednakowa. Naniesione zostały także cztery numerowane linie o charakterystycznym przebiegu. Przechodzą one przez losowo wybrane, stabilne jądro atomowe . Diagram neutronowo-protonowy z naniesionymi charakterystycznnymi liniami A Z X N Przyporządkuj każdej z lnumerowanych linii tę kategorię jąder atomowych, którą ona ilustruje. Linia nr 3 przedstawia jądra atomowe izobaryczne z .A Z X N Linia nr 1 przedstawia jądra atomowe - izotony. Linia nr 2 przedstawia jądra atomowe będące izotopami .A Z X N Linia nr 4 nie przedstawia żadnej specyficznej klasy jąder atomowych. Sprawdź się Ćwiczenie 2 Złoto, o symbolu Au, jest 79. pierwiastkiem w układzie okresowym. Jedynym naturalnie występującym w przyrodzie izotopem złota jest . Uzupełnij brakujące informacje na jego temat: Liczba masowa = . Liczba atomowa = . Liczba neutronów = . 197 Au A Z N Ćwiczenie 3 Układ Okresowy Pierwiastków Grupa 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 2 3 4 5 6 7 Okres Lantanowce Aktynowce 1 H 3 Li 11 Na 19 K 37 Rb 55 Cs 87 Fr 2 He 10 Ne 18 Ar 36 Kr 54 Xe 86 Rn 118 Og 4 Be 12 Mg 20 Ca 38 Sr 56 Ba 88 Ra 5 B 13 Al 31 Ga 49 In 81 Tl 113 Nh 6 C 14 Si 32 Ge 50 Sn 82 Pb 114 Fl 7 N 15 P 33 As 51 Sb 83 Bi 115 Mc 8 O 16 S 34 Se 52 Te 84 Po 116 Lv 9 F 17 Cl 35 Br 53 I 85 At 117 Ts 21 Sc 39 Y 22 Ti 40 Zr 72 Hf 104 Rf 23 V 41 Nb 73 Ta 105 Db 24 Cr 42 Mo 74 W 106 Sg 25 Mn 43 Tc 75 Re 107 Bh 26 Fe 44 Ru 76 Os 108 Hs 27 Co 45 Rh 77 Ir 109 Mt 28 Ni 46 Pd 78 Pt 110 Ds 29 Cu 47 Ag 79 Au 111 Rg 30 Zn 48 Cd 80 Hg 112 Cn 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf Rys. 1. Układ okresowy pierwiastków Niezjonizowany izotop pewnego pierwiastka posiada 7 elektronów na powłokach elektronowych oraz taką samą liczbę neutronów w jądrze. Ustal liczbę atomową i liczbę masową izotopu oraz jego symbol. Skorzystaj z załączonego układu okresowego pierwiastków. Symbol izotopu to . Liczba atomowa izotopu to . Liczba masowa izotopu to . Ćwiczenie 4 Wapń, o symbolu Ca, jest 20. pierwiastkiem w układzie okresowym. Znanych jest 25 izotopów wapnia o liczbach masowych w przedziale od 34 do 58. Większość izotopów wapnia jest nietrwała i ulega przemianom promieniotwórczym. W przyrodzie występuje pięć stabilnych izotopów wapnia o liczbach masowych: 40, 42, 43, 44, 46. Do stabilnych izotopów, z racji bardzo długiego czasu życia, zaliczany jest również . Określ liczbę neutronów dla każdego z podanych izotopów wapnia. , = , = , = , = , = , = 48 Ca N 40 Ca N 42 Ca N 43 Ca N 44 Ca N 46 Ca N 48 Ca N Ćwiczenie 7 Ćwiczenie 8 Około 3500 jąder atomowych zostało dotychczas zbadanych eksperymentalnie. Wśród nich 252 uważa się za stabilne, tj. nieulegające przemianom promieniotwórczym. Dla jąder stabilnych o liczbie masowej przybliżony stosunek liczby neutronów do liczby protonów jest dany empirycznym wzorem: . Szczególnym przypadkiem jąder izobarycznych są tzw. jądra lustrzane, czyli jądra dwóch różnych pierwiastków o takiej samej liczbie masowej, w których liczba protonów jednego jest równa liczbie neutronów drugiego. Jądra lustrzane występują tylko w obszarze lekkich pierwiastków, gdyż dla jąder cięższych pierwiastków liczba neutronów jest zawsze większa od liczby protonów (jest to warunek konieczny stabilności jądra). Połącz podane jądra w pary jąder lustrzanych. 31 14 Si 32 17 Cl 32 14 Si 32 18 Ar 35 17 Cl 31 17 Cl 32 15 P 35 18 Ar A N Z N Z ≈ 1 + 0,015 ⋅A 2/3 Korzystając z podanej zależności określ liczbę atomową stabilnego jądra zbudowanego z 208 nukleonów. Odpowiedź: Liczba atomowa szukanego jądra to . Dla nauczyciela Imię i nazwisko autora: Tomasz Cap Przedmiot: Fizyka Temat zajęć: Liczba atomowa i liczba masowa, czyli jak opisać skład jądra atomu? Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony Podstawa programowa: Cele kształcenia – wymagania ogólne: I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości. II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych. Zakres podstawowy Treści nauczania – wymagania szczegółowe: I. Wymagania przekrojowe. Uczeń: 2) posługuje się materiałami pomocniczymi, w tym tablicami fizycznymi i chemicznymi oraz kartą wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych; 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; Zakres rozszerzony. Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń: 2) posługuje się materiałami pomocniczymi, w tym tablicami fizycznymi i chemicznymi oraz kartą wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych; XII. Elementy fizyki relatywistycznej i fizyka jądrowa. Uczeń: 5) posługuje się pojęciami pierwiastek, jądro atomowe, izotop, proton, neutron, elektron; opisuje skład jądra atomowego na podstawie liczb masowej i atomowej;