Атом и атомное ядро: радиоактивность и ядерные реакции

Что ребёнок должен понять в этой теме

Курс физики основной школы заканчивается разговором о самом маленьком — об атоме и его ядре. Здесь важно понять две вещи: как устроено ядро и какие законы сохранения позволяют предсказывать результат ядерных превращений. Никаких «формул наизусть» не требуется, но требуется аккуратность со числами, которые пишут рядом с символом элемента.

Опыты Резерфорда дали планетарную модель: почти вся масса атома собрана в крошечном положительном ядре, а электроны движутся вокруг. Модель объясняла опыты с рассеянием, но противоречила устойчивости атомов, и её дополнила гипотеза Бора о стационарных орбитах: атом излучает и поглощает свет порциями, квантами, и именно поэтому спектры газов линейчатые, а не сплошные.

Ядро состоит из протонов и нейтронов; число протонов задаёт заряд ядра и место элемента в периодической системе, а сумма протонов и нейтронов — массовое число. Атомы одного элемента с разным числом нейтронов называют изотопами: химия у них одинаковая, а устойчивость ядер разная. Неустойчивые ядра распадаются самопроизвольно — это радиоактивность. Альфа-частица уносит два протона и два нейтрона, бета-распад превращает нейтрон в протон и электрон, гамма-излучение — это квант, уносящий лишнюю энергию. Проникающая способность у этих излучений разная, и именно поэтому защита работает слоями: от альфа-частиц спасает лист бумаги, от гамма — толстая стена из свинца или бетона.

Ядерные реакции подчиняются законам сохранения: сумма массовых чисел до реакции равна сумме после, и сумма зарядовых чисел — тоже. Этого правила достаточно, чтобы «дописать» недостающую частицу. Энергия в таких реакциях не берётся из ниоткуда: при синтезе и делении часть внутренней энергии ядра переходит в кинетическую энергию осколков, и именно это делает атомную энергетику возможной. Здесь же — прямой разговор о безопасной работе с приборами: радиоактивный фон существует вокруг нас всегда, его измеряют дозиметром, и правило одно — не пугаться фона, следить за дозой.

Три опоры темы

• Ядро описывают двумя числами: зарядовое (число протонов) и массовое (протоны плюс нейтроны). Изотопы — атомы одного элемента с разным числом нейтронов.
• Радиоактивность — самопроизвольный распад неустойчивых ядер. Альфа-, бета- и гамма-излучения различаются зарядом, массой и проникающей способностью, а период полураспада подчиняется закономерности: за каждый такой период распадается половина имеющихся ядер.
• В ядерных реакциях сохраняются суммарные массовое и зарядовое числа. Энергия выделяется за счёт уменьшения суммарной массы покоя ядер — это и есть источник работы атомных станций.

Частые ошибки девятиклассника

• Путает массовое и зарядовое числа: ставит в ответе «число нейтронов» там, где спрашивают про место элемента в таблице. Верхнее число — масса, нижнее — заряд.
• Считает, что при бета-распаде ядро «ничего не теряет по массе». Массовое число действительно почти не меняется, но число протонов растёт, поэтому элемент сдвигается в таблице на клетку вправо, и это видно в задачах.
• Уверен, что при ядерной реакции по отдельности сохраняются числа протонов и нейтронов. Сохраняются только суммарные массовое и зарядовое числа; нейтрон вполне может превратиться в протон.
• Думает, что радиоактивность «заразна» и что любой фон опасен. Облучение не переносится как инфекция, а естественный радиоактивный фон — обычная часть среды; значение имеет доза.
• Считает, что альфа-излучение опаснее гамма, потому что «частица». Проникающая способность у гамма самая большая, а биологический эффект зависит и от энергии, и от способа воздействия.
• Путает модели: планетарную модель атома и нуклонную модель ядра, считая, что это одно и то же описание. Первая — про электроны вокруг ядра, вторая — про состав самого ядра.

Как проверить, что тема закрыта

Три вопроса с объяснением. Первый: чем отличаются два атома одного элемента, если у одного массовое число больше, — и почему в таблице они стоят в одной клетке? Второй: ядро испустило альфа-частицу — как изменились массовое и зарядовое числа, в какую сторону сдвинулся элемент? Третий: почему при делении тяжёлого ядра выделяется энергия, хотя «ничего не сгорает»? Если ребёнок называет два числа ядра без путаницы, объясняет разницу между тремя видами излучения и дописывает ядерную реакцию по законам сохранения, тема закрыта.

Соответствие программе: федеральная рабочая программа основного общего образования «Физика. 7–9 классы» (базовый уровень, 2025), edsoo.ru — 9 класс, раздел 5 «Квантовые явления» (17 ч): 5.1 «Испускание и поглощение света атомом» (4 ч) — опыты Резерфорда и планетарная модель атома, модель атома Бора, испускание и поглощение света атомом, кванты, линейчатые спектры; 5.2 «Строение атомного ядра» (6 ч) — радиоактивность, альфа-, бета- и гамма-излучения, строение атомного ядра, нуклонная модель атомного ядра, изотопы, радиоактивные превращения, период полураспада атомных ядер, измерение радиоактивного фона; 5.3 «Ядерные реакции» (7 ч) — ядерные реакции, законы сохранения зарядового и массового чисел, энергия связи атомных ядер, связь массы и энергии, реакции синтеза и деления ядер, источники энергии Солнца и звёзд, ядерная энергетика, действия радиоактивных излучений на живые организмы; в подготовке к ОГЭ модуль «Повторение и обобщение содержания курса физики за 7–9 классы» (9 ч).

Разборы этой темы — наши аналоги заданий по программе, а не цитаты из учебника.