ЗОВНІШНЄ НЕЗАЛЕЖНЕ ОЦІНЮВАННЯ 2018 - ФІЗИКА КОМПЛЕКСНЕ ВИДАННЯ

Частина I НАВЧАЛЬНИЙ ДОВІДНИК — З ПРИКЛАДАМИ ТА ЗАВДАННЯМИ

КВАНТОВА ФІЗИКА. ЕЛЕМЕНТИ ТЕОРІЇ ВІДНОСНОСТІ

3. АТОМ ТА АТОМНЕ ЯДРО

3.6. ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНКИ

Частинки, яким на сьогоднішній день наука не може приписати певної внутрішньої будови, називають елементарними.

Відкрито 38 елементарних частинок і більше 300 резонанс-частинок (короткоживучі частинки із середнім часом життя 10-22 - 10-23 с).

3.10.1. КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

1. Фотони (m0 = 0): у.

2. Лептони (легкі): e-, e+, v, , -, +, v, .

3. Мезони (середні): +, -, 0, +, -, 0(, ).

4. Барйони (важкі): нуклони р, n і гіперони.

Кожна частинка має свою античастинку, тобто частинку тієї самої маси спокою, але з деякими протилежними квантовими властивостями (е- і е+, v і , р і р- тощо).

Фотон та 0-мезон античастинок не мають.

3.10.2. СТАБІЛЬНІ Й НЕСТАБІЛЬНІ ЧАСТИНКИ

Стабільні частинки (їх дев'ять) — живуть у вільному стані як завгодно довго: , е-, е+, р, р-, v, , v, vм. Інші нестабільні.

Наприклад, стабільний у ядрі, а у вільному стані його середній час життя 15 хв, після чого нейтрон перетворюється в стабільні частинки:

+ e- + .

При будь-якому перетворенні елементарних частинок виконуються закони збереження маси, енергії, електричного заряду, імпульсу, моменту імпульсу.

Анігіляція частинок: e- + e+ - 2 (можливе 3); кожний фотон забирає енергію hv = 0,511 МеВ.

Фотонародження (утворення пар): у-квант з енергією 1,022 МеВ утворює пару:

е- + е+ ((me- + me+) ∙ c2 = 1,022 МеВ).

ПРИКЛАДИ РОЗВ'ЯЗУВАННЯ ТЕСТОВИХ ЗАВДАНЬ

1. Заряд ядра атома Гелію 3,2 ∙ 10-19 Кл. Укажіть правильне твердження, знаючи, що заряд електрона дорівнює 1,6 ∙ 10-19 Кл.

А Атом Гелію має позитивний заряд.

Б Практично вся маса атома зосереджена в ядрі.

В В атомі Гелію міститься 4 електрони.

Г Маса атомного ядра набагато менша, ніж маса атома.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. У 1911 р.

Резерфорд запропонував ядерну («планетарну») модель атома: атоми будь-якого елемента містять ядро, що має позитивний заряд; до складу

ядра входять позитивно заряджені елементарні частинки — протони (пізніше було встановлено, що й нейтральні нейтрони); навколо ядра обертаються електрони, які утворюють так звану електронну оболонку. Атом у цілому є електрично нейтральним: позитивний заряд ядра дорівнює за модулем сумарному зарядові всіх електронів.

□ Твердження Б є правильним. У позитивно зарядженому атомному ядрі зосереджена майже вся маса атома.

□ Твердження В є неправильним. Навколо ядра атома Гелію обертаються 2 електрони (кількість внутрішньоатомних електронів дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі хімічних елементів Менделєєва).

□ Твердження Г є неправильним. Атомне ядро мас масу, що становить 99,96 % маси всього атома.

Відповідь: Б.

2. На рисунку показано три нижні енергетичні рівні атома. Стрілки відповідають переходам між рівнями. Укажіть правильне твердження.

А Під час переходу 1 відбувається випромінювання фотона.

Б Під час переходу 2 відбувається поглинання фотона.

В На нижньому енергетичному рівні атом не може перебувати як завгодно довго.

Г Виконується співвідношення v5 = v3 + v4.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. У другому постулаті Бора говориться: електрони випромінюють фотони, тільки переходячи з однієї орбіти із більшею енергією на іншу, з меншою енергією. Енергія випроміненого фотона дорівнює різниці енергій електрона на орбітах: hv = Еn - Еm. Цей перехід відповідає поглинанню кванта світла.

□ Твердження Б є правильним. Атом може також поглинати фотони. Коли поглинається фотон, електрон в атомі переходить зі стаціонарної орбіти з меншою енергією на орбіту з більшою енергією. Отже, кожний атом може поглинати світло тільки з частотами v = .

Цей перехід відповідає поглинанню фотона.

□ Твердження В є неправильним. У першому постулаті Бора говориться: електрони в атомах рухаються тільки по певних орбітах, названих стаціонарними. Кожній орбіті відповідає певна енергія електрона Еn, де n — номер орбіти. Нижній енергетичний рівень відповідає основному (або нормальному) стану. У цьому стані енергія атома є мінімальною, і він може перебувати в ньому як завгодно довго.

□ Твердження Г є неправильним. Під час випускання світла атом може переходити з будь- якого стану в нормальний одразу або послідовно, через проміжні збуджені стани. Усі ці переходи здійснюються відповідно до закону збереження енергії: hv3 = hv4 + hv5, або v3 = v4 + v5. Звідси випливає, що v5 = v3 - v4.

Відповідь: Б.

3. Радіоактивний препарат, що міститься на дні каналу в шматку свинцю (див. рисунок), дає вузький пучок радіоактивного випромінювання. Укажіть правильне твердження.

А Магнітне поле напрямлене від нас.

Б -частинки можуть відхилятися під дією електричного поля.

В -кванти можуть відхилятися під дією електричного поля.

Г Найменшу проникну здатність має -випромінювання.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. Застосовуючи правило лівої руки до руху позитивно заряджених а-частинок, можна визначити, що магнітне поле напрямлене перпендикулярно до площини креслення до нас.

□ Твердження Б є правильним. Оскільки -частинки являють собою потік швидких електронів, то вони відхиляються під дією електричного поля.

□ Твердження В є неправильним. Оскільки в у-квантів відсутній електричний заряд, вони ані магнітним, ані електричним полем не відхиляються.

□ Твердження Г є неправильним. Найбільшу проникну здатність мають у -промені. Коли у-промені проходять через шар свинцю завтовшки в 1 см, їхня інтенсивність зменшується лише вдвічі.

Відповідь: Б.

4. Відбувся а-розпад Радію . Укажіть правильне твердження.

А Утворилося ядро атома іншого хімічного елемента.

В Утворилося ядро з масовим числом 224.

В Утворилося ядро з атомним номером 90.

Г Кількість протонів у ядрі зменшилася на 1.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є правильним. Перетворення атомних ядер, які супроводжуються випусканням а -частинок, називають а-розпадом.

Схема а-розпаду така:

+ .

Таким чином, унаслідок а -розпаду ядро перетворюється в ядро іншого хімічного елемента, розташованого на дві клітинки ближче до початку періодичної системи хімічних елементів Менделєєва.

Твердження Б є неправильним. Відповідно до реакції а –розпаду + , утворилося ядро з масовим числом 222.

□ Твердження В є неправильним. Відповідно до реакції а –розпаду + , утворилося ядро з атомним номером 86.

□ Твердження Г є неправильним, а-частинка складається з двох протонів та двох нейтронів, тому внаслідок а -розпаду кількість протонів у ядрі зменшується на 2.

Відповідь: А.

5. Нейтрон уперше виділили з ядра атома в результаті бомбардування а -частинками Берилію . Укажіть правильне твердження.

А Унаслідок реакції утворилося ядро елемента з атомним номером 12.

Б Масове число утвореного ядра дорівнює 6.

В Рівняння реакції має вигляд + + .

Г Рівняння реакції має вигляд + + .

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. У ході опромінення а-частинками атомів Берилію було зареєстровано випромінювання, що пронизувало 20-сантиметрову свинцеву плиту, яка затримувала всі інші види випромінювань. Учень Резерфорда Дж. Чедвік довів, що ці частинки є передбаченими Резерфордом нейтральними «двійниками» протона. Через їхню нейтральність їх назвали нейтронами. Відповідно до рівняння реакції + + утворилося ядро елемента з атомним номером 6.

□ Твердження Б є неправильним. Відповідно до схеми реакції + + масове число утвореного ядра дорівнює 12.

□ Твердження В є неправильним. У даному записі неправильно позначено нейтрон. Необхідно писати: In.

□ Твердження Г є правильним. За періодичною системою хімічних елементів Менделєєва елемент із протонним числом 6 — це Карбон, тому рівняння реакції має вигляд:

+ + .

Відповідь: Г.

б. Установіть відповідність між назвою приладу і принципом його дії.

1 Лічильник Гейгера

2 Камера Вільсона

3 Бульбашкова камера

4 Товстошарові фотоемульсії

А Прилад, дія якого ґрунтується на конденсації перенасиченої пари на йонах з утворенням краплинок води

Б Прилад для автоматичного рахунку частинок, дія якого базується на принципі ударної йонізації

В Прилад, дія якого ґрунтується на йонізаційній дії частинок на емульсію фотопластинки

Г Прилад, дія якого базується на світінні екрана, вкритого сірчистим цинком, коли на нього потрапляє частинка

Д Прилад, дія якого ґрунтується на виявленні треків частинок у перегрітій рідині

Обґрунтування вибору відповіді

1. Дія лічильника Гейгера ґрунтується на ударній йонізації. Заряджена частинка пролітає в газі, відриваючи від атомів електрони, й утворює позитивні йони та вільні електрони.

Електричне поле між анодом і катодом прискорює електрони до енергій, за яких починається йонізація. Лічильник Гейгера застосовують в основному для реєстрації електронів і у -випромінювань. (Б)

2. Дія камери Вільсона базується на конденсації перенасиченої пари на йонах з утворенням краплинок води. Ці йони утворює вздовж своєї траєкторії рухома заряджена частинка. Краплинки утворюють видимий слід частинки, що пролетіла,— трек.

За довжиною треку можна визначити енергію частинки, а за кількістю краплинок на одиницю довжини треку — оцінити швидкість її руху. Зазвичай треки частинок у камері Вільсона не тільки спостерігають, але й фотографують. (А)

3. У 1952 р. американський вчений Дж. Глейзер запропонував використовувати для виявлення треків частинок перегріту рідину. У цій рідині на йонах, що утворюються під час руху швидкої зарядженої частинки, виникають бульбашки пари, які дають видимий трек. Камери такого типу були названі бульбашковими.

Перевага бульбашкової камери перед камерою Вільсона зумовлена більшою густиною робочої речовини. Пробіги частинок унаслідок цього виявляються досить короткими, і частинки навіть з великими енергіями «застрягають» у камері. Це дозволяє спостерігати серію послідовних перетворень частинки й спричинювані нею реакції. (Д)

4. Найдешевшим методом реєстрації частинок і випромінювань с фотоемульсійний. Він базується на тому, що заряджена частинка, рухаючись у фотоемульсії, руйнує молекули бромистого срібла в тих зернах, крізь які вона пройшла. Унаслідок проявлення в кристаликах відновлюється металеве срібло й ланцюжок зерен срібла утворює трек частинки.

За довжиною та товщиною треку можна оцінити енергію й масу частинки. (В)

Відповідь: 1—Б, 2—А, 3—Д, 4—В.

7. Маса радіоактивного зразка зменшилась у 8 разів за 810 діб. Визначте період піврозпаду даного радіонукліду.

Розв'язання

m = m0, звідси = , = .

Тоді = 2-3, звідси Т = = 270 діб.

Відповідь: 270 діб.

8. Скільки а- і -розпадів відбувається в результаті перетворення Радію-226 у Плюмбум-206?

Розв'язання

Відомо, що атоми радіоактивних елементів є нестійкими і спонтанно розпадаються, зазнаючи різних перетворень.

У разі а -розпаду масове число початкового атома зменшується на 4 одиниці, що дозволяє визначити nа:

na = = = 5.

Знаючи nа і Za — зарядове число а-частинки, визначаємо, на скільки зменшується зарядове число внаслідок а-розпаду: ∆Za = naZa = 5 ∙ 2 = 10.

Відомо, що в разі р-розпаду змінюється лише зарядове число, зростаючи на одиницю.

У результаті перетворення y зарядове число зменшується на 6:

88 - 82 = 6,

отже,

n =10 - 6 = 4 .

Відповідь: 5; 4.

9. Визначте дефект мас та енергію зв'язку ядра Радію-226 ().

Розв'язання

Дефект має ядра визначають за формулою ∆m = (Zmp + Nmn)— mя. У таблиці мас ізотопів наведено значення мас нейтральних атомів, а не ядер. Тому цю формулу доцільно перетворити так, щоб замість маси ядра mя в ній була маса відповідного нейтрального атома mа. Оскільки mя = ma - Zme, то

∆m = Zmp + Nmn - ( ma - Zme) =

= Z (mp + me) + Nmn - ma.

Але mp + me = .

Отже, остаточно маємо:

∆m = (Z Nmn) – ma.

Підставляючи в цю формулу числові значення мас в а. о. м., одержуємо:

∆m = 88 ∙ 1,00783 +138 ∙ 1,008 66 - 226,024 35 = 1,85977 (а. о. м.).

Якщо хочемо одержати енергію зв'язку в джоулях, то дефект мас потрібно подати в кілограмах.

З огляду на те, що 1а. о. м. = 1,660 57 ∙ 10-27 кг, одержуємо:

∆m = 1,8577 ∙ 1,660 57 ∙ 10-27 = 3,0833 ∙ 10-27 (кг).

Підставляючи це значення дефекту мас у формулу Езв = ∆m ∙ с2, маємо:

Е = 3,0883 ∙ 10-27 ∙ (3 ∙ 108)2 = 27,795 ∙ 10-11 (Дж).

Відповідь: 3,0883 ∙ 10-27кг; 27,795 ∙ 10-11 Дж.

ТЕСТОВІ ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗАННЯ

1. За діаграмою енергетичних переходів атома установіть правильне твердження. Обґрунтуйте, чому інші твердження є неправильними.

A 5 = 3 + 4

Б v3 < v4

В v2 = v1 + v3

Г 4 < 5

2. Заряд ядра атома Неону () 1,6 ∙ 1018 Кл.

Укажіть правильне твердження.

А В атомі Неону 10 електронів.

Б Маса ядра атома менша, ніж маса електронів.

В Атом Неону має позитивний заряд.

Г Радіус атомного ядра більший, ніж половина радіуса атома.

3. З ядра Натрію вилетів електрон. Укажіть правильне твердження.

А Масове число ядра в результаті розпаду зменшилося.

Б У результаті розпаду утворилося ядро Магнію .

В Відбувся а-розпад ядра.

Г Атомний номер утвореного ядра дорівнює 9.

4. У результаті влучання нейтрона в ядро Алюмінію утворюються а-частинка і ядро якогось елемента. Укажіть правильне твердження.

А а -частинка являє собою ядро атома важкого Гідрогену.

Б Атомний номер утвореного ядра більше ніж 12.

В Рівняння реакції має вигляд

+ + .

Г Рівняння реакції має вигляд

+ + .

5. В Урані-235 може відбуватися ланцюгова ядерна реакція поділу. Укажіть правильне твердження.

А У ході ланцюгової реакції поділ ядра відбувається в результаті влучення в нього протона.

Б У ході ланцюгової реакції поділ ядра відбувається в результаті влучення в нього нейтрона.

В Ланцюгова реакція відбувається з поглинанням енергії.

Г У результаті поділу ядра утворюються тільки електрони.

6. Установіть відповідність між ядром атома та кількістю нейтронів N і протонів Z у ньому.

1

2

3

4

A N = 1, Z = 1

Б N = 1, Z = 2

В N = 2, Z = 1

Г N = 2, Z = 2

Д N = 2, Z = 3

7. Установіть відповідність між ядерною реакцією та частинкою, яка утворилася в результаті цієї реакції.

1 + ? +

2 + ? +

3 + ? +

4 ? +

А а - частинка

Б - частинка

В Позитрон

Г Нейтрон

Д Протон

8. Визначте (у мегаелектрон-вольтах) енергетичний вихід і дефект маси (в а. о. м.) ядерної реакції:

+ +

Атомне ядро

Питома енергія зв'язку, МеВ/нуклон

7,08

7,48

7,75

9. Визначте період (у секундах) піврозпаду радіонукліда, якщо через інтервал часу 1,2 с число атомів, що розпалися, становитиме 75 % їх початкової кількості.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.