Лабораторная работа 8, страница 330 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Лабораторные работы - страница 330.

№ 8 Изучение деления ядра атома урана по фотографии треков

Цель работы Применить закон сохранения импульса для объяснения движения двух ядер, образовавшихся при делении ядра атома урана.

Приборы и материалы Фотография треков заряженных частиц (рис. 217), образовавшихся при делении ядра атома урана.

Примечание На данной фотографии вы видите треки двух осколков, образовавшихся при делении ядра атома урана, захватившего нейтрон. Ядро урана находилось в точке g, указанной стрелкой.

По трекам видно, что осколки ядра урана разлетелись в противоположных направлениях (излом левого трека объясняется столкновением осколка с ядром одного из атомов фотоэмульсии, в которой он двигался).

Задание 1 Пользуясь законом сохранения импульса, объясните, почему осколки, образовавшиеся при делении ядра атома урана, разлетелись в противоположных направлениях.

Задание 2 Известно, что осколки ядра атома урана представляют собой ядра атомов двух разных химических элементов (например, бария, ксенона и др.) из середины таблицы Д. И. Менделеева.

Одна из возможных реакций деления ядра атома урана может быть записана следующим образом:

₉₂U + ₀n → ₅₆Ba + _ZХ + 2 ∙ ₀n.

Пользуясь законом сохранения электрического заряда и таблицей Д. И. Менделеева, определите, ядро атома какого элемента обозначено символом _ZХ.

Задание 1

Данное явление объясняется законом сохранения импульса. Рассмотрим систему, состоящую из ядра урана непосредственно перед делением. Будем считать, что ядро урана, захватившее нейтрон, покоилось. Следовательно, его начальный импульс равен нулю.

Пусть $\vec{p}_i$ — это начальный импульс системы (ядро урана до деления). Так как ядро покоится, $\vec{p}_i = 0$.

В процессе деления ядро распадается на два осколка (для простоты не учитываем испускаемые нейтроны, так как их масса и импульс значительно меньше масс и импульсов осколков). Пусть массы осколков равны $m_1$ и $m_2$, а их скорости — $\vec{v}_1$ и $\vec{v}_2$. Суммарный импульс системы после деления, $\vec{p}_f$, будет равен векторной сумме импульсов осколков:

$\vec{p}_f = m_1\vec{v}_1 + m_2\vec{v}_2$

Согласно закону сохранения импульса, полный импульс замкнутой системы тел остается постоянным. В нашем случае это означает, что импульс системы до деления равен импульсу системы после деления:

$\vec{p}_i = \vec{p}_f$

$0 = m_1\vec{v}_1 + m_2\vec{v}_2$

Из этого векторного уравнения следует, что:

$m_1\vec{v}_1 = -m_2\vec{v}_2$

Это равенство означает, что векторы импульсов осколков $\vec{p}_1 = m_1\vec{v}_1$ и $\vec{p}_2 = m_2\vec{v}_2$ равны по модулю, но направлены в строго противоположные стороны. Поскольку массы $m_1$ и $m_2$ являются положительными скалярными величинами, векторы скоростей $\vec{v}_1$ и $\vec{v}_2$ также должны быть направлены в противоположные стороны. Именно поэтому осколки деления разлетаются в противоположных направлениях.

Ответ: Согласно закону сохранения импульса, если начальный импульс ядра урана был равен нулю, то суммарный импульс образовавшихся осколков также должен быть равен нулю. Это возможно только в том случае, если осколки движутся в противоположных направлениях, чтобы их импульсы взаимно компенсировали друг друга.

Задание 2

Дано:

Реакция деления ядра урана:

${}_{92}U + {}_{0}n \rightarrow {}_{56}Ba + {}_{Z}X + 2 \cdot {}_{0}n$

Найти:

Ядро атома какого элемента обозначено символом ${}_{Z}X$.

Решение:

Для определения неизвестного элемента X воспользуемся законом сохранения электрического заряда в ядерных реакциях. Этот закон гласит, что сумма зарядовых чисел (нижних индексов, обозначающих число протонов) частиц, вступающих в реакцию, равна сумме зарядовых чисел частиц, образующихся в результате реакции.

Сумма зарядовых чисел до реакции (в левой части уравнения):

$Z_{начальное} = 92 + 0 = 92$

Сумма зарядовых чисел после реакции (в правой части уравнения):

$Z_{конечное} = 56 + Z + 2 \cdot 0 = 56 + Z$

Приравниваем начальное и конечное зарядовые числа:

$Z_{начальное} = Z_{конечное}$

$92 = 56 + Z$

Теперь найдем неизвестное зарядовое число Z:

$Z = 92 - 56$

$Z = 36$

Зная зарядовое число (атомный номер), мы можем определить химический элемент по периодической таблице Д. И. Менделеева. Элемент с атомным номером 36 — это криптон (Kr).

Ответ: Символом ${}_{Z}X$ обозначено ядро атома криптона (${}_{36}Kr$), так как его зарядовое число Z = 36.