Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Физика»Содержание №7/2007

К.А.КОХАНОВ,
ВятГГУ, г. Киров

center@extedu.kirov.ru

Физика атомного ядра и элементарных частиц

Базовый уровень, 11-й класс

(Приводим только часть присланных заданий (среднего и повышенного – со знаком * – уровней сложности). – Ред. Принятые обозначения: А – массовое число, Z – число протонов, N – число нейтронов, c – скорость света.)

Раздел «Квантовая физика» – один из самых трудных в учебной физике. Объективная сложность и необычность изучаемых явлений приводит к значительным затруднениям в усвоении материала. С ещё большими трудностями сталкиваются учителя – сложные явления нужно знать и понимать достаточно глубоко, чтобы доступно объяснить их своим ученикам. Представленный тест* был предложен учителям г. Кирова и Кировской области (57 чел., время тестирования 40–55 мин) в 2004/05 уч. г. и позволил выявить наиболее сложные для них (и соответственно для школьников) вопросы тем «Атомное ядро» и «Элементарные частицы». В скобках указан процент выбравших указанный ответ в качестве правильного от общего числа опрошенных. Правильный ответ выделен жирным шрифтом.

1. СТРОЕНИК И СВОЙСТВА ЯДЕР

1.1. Что можно сказать о соотношении размеров ядра и атома лития?

А) Радиус ядра больше радиуса атома;                  (4%)

Б) радиус ядра много меньше радиуса атома;     (95%)

В) радиусы ядра и атома одинаковы;                    (1%)

Г) однозначного ответа дать нельзя;

Д) исследования ещё не проводились.

1.2. Сколько заряженных частиц входит в ядро атома ?

А) 2;     (93%)       Б) 4;     (7%)

В) 6; Г) 8; Д) Верный ответ не приведён.

1.3. Какая из перечисленных частиц не может входить в состав тяжёлых ядер?

А) Нейтрон; Б) протон; В) нуклон; Г) электрон;     (70%)

Д) все указанные частицы могут входить.               (5%)

1.4. Каково соотношение между количеством протонов и нейтронов в тяжёлых ядрах?

А) Нейтронов в несколько раз больше;

Б) нейтронов меньше;                                                  (4%)

В) нейтронов больше;                                                  (74%)

Г) строго одинаково;                                                    (4%)

Д) соотношение может быть разным.                         (9%)

1.5. Каково соотношение между числом протонов и нейтронов в лёгких ядрах?

А) Примерно одинаково;                                              (74%)

Б) нейтронов меньше;                                                   (7%)

В) нейтронов значительно больше;                             (5%)

Г) строго одинаково;                                                      (7%)

Д) соотношение может быть разным.                          (7%)

1.6. Что характеризует (показывает) массовое число ядра?

А) Положение атома в системе элементов;                  (9%)

Б) полную энергию ядра (в а.е.м.);                                (11%)

В) число нуклонов в ядре;                                              (80%)

Г) позволяет рассчитывать основные квантовые свойства ядра;

Д) плотность ядра.

1.7. Какое из фундаментальных взаимодействий не учитывают при изучении атомного ядра?

А) Гравитационное;                                                          (37%)

Б) слабое;                                                                            (12%)

В) электромагнитное;                                                        (12%)

Г) сильное;                                                                          (2%)

Д) гравитационное и слабое.                                            (37%)

1.8. Ядерные изотопы – это ядра:

А) с одинаковым числом N и разным А;                          (11%)

Б) с одинаковыми числами Z и N;                                      (4%)

В) с одинаковыми числами А;

Г) с одинаковым числом Z и разными N.                          (83%)

Д) Не приведено верного определения.                             (2%)

1.9. Характерный размер ядра составляет:

А) 10–30 м;     (4%)       Б) 10–25 м;      (4%)    В) 10–20 м;        (2%)

Г) 10–15 м;      (70%)    Д) 10–10 м.    (16%)

1.10. Масса некоторого ядра равна 16,99913 а.е.м. Сколько нуклонов содержится в этом ядре1?

А) 17;          (81%)         Б) 8;          (2%)          В) 16,99913;      (5%)

Г) 16–18.   (9%)            Д) Верный ответ не приведён.           (2%)

1.11. Что можно сказать о числах Z и N в некотором ядре ?

А) Z = B, N = C, C > B;                                                                (5%)

Б) Z = С, N = В, C < B;                                                                 (4%)

В) Z = B, N = CВ, C > B;                                                         (90%)

Г) Z = С, N = ВС, C < B;

Д) Z = B, N = BC, C = B.

1.12*. Известно, что плотность внутри ядер примерно равна 2,7 • 1014 г/см3. Означает ли такая большая плотность, что внутри ядер нет пустот?

(Ответ. Нет. По современным представлениям, некоторые ядра внутри полые.) (70%)

Комментарий редакции. Говорить о пустоте внутри ядра некорректно. По-видимому, подразумевается оболочечная модель ядра. Однако и между оболочками не пустота, а поле!

1.13*. В некоторых ядерных реакторах для замедления нейтронов используется тяжёлая вода, содержащая большое количество ядер дейтерия Малая масса его ядра позволяет эффективно понижать скорость нейтронов (ведь, как следует из закона сохранения импульса, при неупругом соударении с неподвижным ядром дейтерия скорость нейтрона снижается на треть). Почему же в качестве замедлителя не используют обычную воду с большим числом ядер (которые при тех же условиях могут снизить скорость нейтронов в два раза)?

(Ответ. Протоны активно присоединяют нейтроны, поэтому обычная вода не только замедляет, но и поглощает нейтроны.) (9%)

2. Ядерные превращения и реакции. Элементарные частицы

2.1. Куда в Периодической системе элементов сдвигается атом, ядро которого претерпевает -распад?

А) Влево на одну клетку;

Б) вправо на одну клетку;                                            (4%)

В) никуда не сдвигается;                                              (91%)

Г) это зависит от числа вылетающих -квантов;

Д) влево на две клетки.

2.2. Куда в Периодической системе элементов сдвигается атом, ядро которого претерпевает один -распад?

А) Влево на одну клетку;                                              (19%)

Б) вправо на одну клетку;                                            (70%)

В) никуда не сдвигается;                                              (2%)

Г) вниз на одну клетку;

Д) влево на две клетки.                                                 (2%)

2.3. Что называется -распадом?

А) Любые реакции с участием ядер                                                                  (5%)

Б) радиоактивные превращения ядер с испусканием -частиц;                          (84%)

В) распад ядер                                                                                                      (2%)

Г) ядерные реакции, происходящие только за счёт сильных взаимодействий;      (2%)

Д) верны ответы А и В.

2.4. Из двух изотопов большей стабильностью обладает тот, у которого:

А) больше энергия покоя;                                                                                          (4%)

Б) меньше энергия связи;

В) больше энергия связи;                                                                                          (39%)

Г) больше удельная энергия связи;                                                                          (49%)

Д) меньше и энергия связи, и удельная энергия связи.                                            (4%)

2.5. Закон радиоактивного распада записывается в виде:

А)               (72%)              Б)                       (2%)

В)               (7%)                 Г) А = Z + N;

Д) Верный ответ не приведён.                                                  (11%)

Комментарий редакции. В школьном учебнике (а это стандарт для учителей!) закон радиоактивного распада записан в виде

2.6. Какое излучение не может взаимодействовать с -излучением?

А) -излучение;          (5%)              Б) -излучение;

В) -излучение;           (5%)              Г) - и -излуч.                  (9%)

Д) Ни одно.                                                                                        (60%)

Комментарий редакции. Любые заряженные частицы могут и должны взаимодействовать с фотонами.

2.7. Какое из излучений обладает наименьшей проникающей способностью?

А) -излучение;          (91%)              Б) -излучение;

В) -излучение;            (2%)

Г) проникающая способность излучения сильно зависит от источника излучения;

Д) проникающая способность всех излучений примерно одинакова.

2.8*. В приведённой формуле ядерной реакции зачеркните ненужное слагаемое:

(Ответ. е+. Тогда будут выполняться законы сохранения электрического и лептонного зарядов.) (16%)

2.9*. В цепочке радиоактивных превращений элемента с порядковым номером 92 и атомной массой 235 в элемент с номером 82 и массой 207 (урана в свинец) содержится несколько - и -распадов. Сколько всего распадов в этой цепочке?

(Ответ. 11. Следует начинать расчёт реакции с массового числа, которое может изменяться только в результате вылета -частиц.) (26 %)

2.10*. В камере Вильсона зарегистрирован распад в магнитном поле нейтральной частицы -гиперона на +-мезон и некоторую частицу x.

На рисунке представлена расшифровка фотографии распада: рождение новых частиц произошло в точке А.

 

Определите заряд и массу второй частицы.

(Ответ. Согласно закону сохранения заряда  qx + q = 0, отсюда заряд второй частицы qx = – q =  –1,6 • 10–19 Кл. Движение частиц в магнитном поле описывается вторым законом Ньютона: Отношение радиусов траекторий частиц находим по дополнительному рисунку, выбрав в качестве единицы измерения клетку: = 2. По теореме Пифагора, 

Таким образом, Можно сделать вывод, что вторая частица – антипро-тон:

        (0%)

2.11*. Известно, что -излучение сопровождается вылетом нейтрино . С учётом этого реакция -распада может быть записана так: n  p +  + e. Что можно сказать о массе и заряде нейтрино? (Ответ. Масса нейтрино [не превышает разности масс нейтрона и протона с массой электрона. – Ред.], заряд равен нулю.) (23%)

2.12*. Один из нуклонов (р, n) в свободном состоянии имеет очень большой период полураспада (миллионы лет), а другой – сравнительно малый (несколько минут). Какой из нуклонов имеет больший период полураспада?

(Ответ. р: атом водорода, ядро которого состоит из одного протона, живёт очень долго.) (16%)

Комментарий редакции. Протон живёт не миллионы лет, а в 1022 раз дольше Вселенной (время жизни её самой 1010 лет)! Время жизни атома водорода определяется законами атомной физики и мало связано с временем жизни протона, которое определяется законами ядерной физики.

Рекомендуем обратить особое внимание на вопросы по составу ядер; определению ядерных изотопов; взаимодействиям, оказывающим влияние на формирование ядра; пониманию смысла энергии связи и удельной энергии связи; особенностям радиоактивных превращений и особенно на проблему применения знаний в относительно новых ситуациях (вопросы 1.13*, 2.8*, 2.10*–2.12*).

_________________________

1Речь идёт об изотопе