Методична розробка уроку " Радіоактивність. Види радіоактивного розпаду"

Розділ . Атомна та ядерна фізика

 Тема. Радіоактивність.  Види радіоактивного випромінювання.

 Мета:  розкрити історичні передумови відкриття природної радіоактивності; сприяти формуванню знань про явище радіоактивності, його види, властивості та механізм випромінювання;

  формувати спостережливість, гнучкість, логічність і послідовність мислення; сприяти розширенню кругозору;

  виховувати інтерес до фізики; формувати ставлення учнів до ядерної енергетики;

   Формування компетентностей:

предметних - продовжити формувати  уяву про будову речовини на прикладі явища радіоактивності, з’ясувати які існують види випромінювання;

 формування ключових компетентностей:

• уміння вчитися:  продовжити формувати навички самостійної роботи, вміння використовувати теоретичні знання в нестандартних ситуаціях ; продовжити формувати вміння  визначати мету навчальної діяльності, відбирати й застосовувати потрібні знання та способи діяльності для досягнення цієї мети;
•  обізнаність і самовираження у сфері культури: на прикладах біографії вчених продовжити формувати загальнокультурні цінності;
• комунікативної: розвивати вміння спілкування з однолітками;
• спілкування державною мовою: продовжити розвивати вміння ставити запитання і розпізнавати проблему; міркувати, робити висновки на основі інформації, поданої в різних формах (у текстовій формі, таблицях, діаграмах, на графіках);
• інформаційної:  продовжити формування навичок діяти за алгоритмом та складати алгоритми; визначати достатність даних для розв’язання задачі; використовувати різні знакові системи;
• математичної: продовжити формувати навички та вміння  розв’язувати задачі, зокрема практичного змісту; будувати і досліджувати найпростіші математичні моделі реальних об'єктів .

Тип уроку. Комбінований урок.

Обладнання та наочність: підручник, , періодична таблиця елементів Мендєлєєва, презентація.

Хід уроку

1.Організаційний момент.

2.Актуалізація опорних знань.

 (Опитування у формі розминки)

  Хто запропонував першу модель атома? Охарактеризуйте її коротко.  Дайте характеристику планетарної моделі атома.

 Яка електронна конфігурація атома Кисню?

 Визначте склад ядра атома алюмінію 13Al 27.

  Що вам відомо про α – частинки?

 Назвіть основні властивості рентгенівського випромінювання.

 3. Повідомлення теми та завдань уроку Тема уроку: «Радіоактивність. Види радіоактивного випромінювання».

 На уроці ми повинні виконати наступні завдання:

  ознайомитися з історією відкриття радіоактивності та пошуку радіоактивних елементів;

 вивчити властивості та склад радіоактивного випромінювання;  з’ясувати типи природних та штучних ядерних реакцій;

  засвоїти правила зміщення та механізм радіоактивних розпадів;

 з'ясувати в чому відмінність штучних ядерних реакцій від радіоактивності.

 4. Мотивація навчальної діяльності

Слова «атомне ядро» і «елементарні частинки» уже згадувалися не раз. Відомо, що атом складається із ядра та електронів.  Чи можуть атомні ядра зазнавати перетворень?  До яких змін атомного ядра можуть привести такі перетворення? Нестабільність атома було відкрито наприкінці XIX століття. Через 46 років було побудовано перший ядерний реактор. Простежимо швидкий розвиток фізики атомного ядра в історичній послідовності

 4. Вивчення нового матеріалу

Відкриття радіоактивності  (Розповідь учителя супроводжується показом відповідних слайдів. Учні виконують у зошитах необхідні записи та малюнки)

  Після відкриття В. Рентгеном 8 листопада 1895 р. рентгенівських променів відомий французький фізик і математик Анрі Пуанкаре висловив припущення, що рентгенівське випромінювання пов'язане з флюоресценцією і що для утворення його не потрібна ніяка катодна трубка.

  Анрі Беккерель, на якого це справило глибоке враження, відразу намітив шляхи до експериментальної перевірки висловленого припущення. З цією метою він узяв з колекції мінералів свого батька подвійний сульфат уранілу калію, обгорнувши фотопластинку чорним папером, поклав на неї металеву пластинку неправильної форми, покриту шаром уранової солі, і виставив на кілька годин на яскраве сонячне світло. Після проявлення пластинки на ній було чітко видно зображення металевої пластинки, покритої урановою сіллю. Це ніби підтверджувало гіпотезу Пуанкаре. У кінці лютого 1896 р. він приготував нову пластинку, поклавши на неї мідний хрест, покритий сіллю урану, але погода була похмура, і він вирішив 1 березня проявити пластинку, яка лежала кілька днів у темній шафі. На проявленій пластинці було почорніння у вигляді виразної тіні хреста. Виявилось, що солі урану самі собою, без усякого зовнішнього впливу випромінюють невидимі промені, які згодом було названо беккерелевими, а здатність речовин їх випромінювати – радіоактивністю. З’ясувалося, що радіоактивність - це властивість не сполук, а самих атомів. Розпочався інтенсивний пошук нових елементів з радіоактивними властивостями.

  У квітні 1898 р. Марія Склодовська одночасно з Эрхардом Карлом Шмідтом (нім.) виявили природну радіоактивність атомів Торію (90Th232). У липні 1898 р. Марія Склодовська та П'єр Кюрі відкрили Полоній (84Po209), виділивши його із смоляної руди. У грудні 1989 р. з'явилася стаття подружжя Кюрі та Бемона про наявність у смоляній руді ще одного дуже радіоактивного елементу за хімічними властивостями схожого до Барію, який було названо Радієм (88Ra226).

Природна радіоактивність властива для всіх речовини з порядковим номером понад 83 (Вісмут). Властивості променів виконується анімація досліду Резерфорда в результаті якого були виявлені  - й  - промені)

   У 1899 р. Е. Резерфорд у результаті експериментів виявив, що радіоактивне випромінювання неоднорідне і під дією сильного магнітного поля розпадається на дві складові,  - й  - промені. Третю складову,  - промені, виявив французький фізик П. Вілард в 1900 р. α-частинки – це ядра атома Гелію, що рухаються зі швидкістю , де с – швидкість світла. Через малу проникну здатність їх затримує навіть аркуш паперу товщиною 0,1 мм. β-частинки – це потоки електронів, що рухаються зі швидкістю ~ с. Їх може затримати алюмінієва пластинка товщиною кілька міліметрів. γ-частинки – це кванти високої енергії, що мають швидкість світла. Навіть свинцева пластинка товщиною 1 см зменшує інтенсивність γ-випромінювання тільки на половину.

Правила зміщення 

 "Радіоактитіїсть являє собою самодовільну зміну ядер одних атомів в інші з виділенням енергії і частинок." При цьому виконуються правила зміщення:

• _ZX^A → _Z-2Y^A-4 + ₂Не⁴ - при α-розпаді утворюється новий хімічний елемент, який зміщується в таблиці Менделеєва на дві клітинки вліво, а маса зменшується на чотири одиниці. ₈₈Ra²²⁶ → ₈₆Rn²²² + ₂Не⁴
• _ZX^A → _Z+1Y^A + _-1е⁰ - при β-розпаді утворюється новий елемент, який зміщується в таблиці Менделеєва на одну клітинку вправо, а маса атома майже не змінюється. ₉₀Th²³⁴ → ₉₁Pa²³⁴ + _-1е⁰
• При γ-розпаді ядро не змінюється. Це явище супроводжує α­- чи β-розпад.

Ядра радіоактивних елементів мають надлишкову енергію. Ця енергія може бути вивільнена так:  спонтанним поділом ядра на більш стійкі частини;  спонтанними змінами заряду ядра з перетворенням протона в нейтрон чи нейтрона в протон. До першого типу відноситься α-розпад і поділ урану. β-розпад відноситься до другого типу. Загальні правила, за якими відбуваються радіоактивні розпади, розробив англійський хімік Фредерік Содді. 4 (Після перегляду та аналізу наступних анімацій учням пропонується самостійно сформулювати правила зміщення) α-розпад  (Отже, нуклонне число ядра атома зменшується на 4, а протонне на 2, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого в періодичній таблиці на 2 одиниці менший, ніж порядковий номер вихідного елемента.) β-розпад (слайд 9) (Отже, нуклонне число ядра атома залишається незмінним, а протонне збільшується на 1, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого в періодичній таблиці на 1 одиницю більший, ніж порядковий номер вихідного елемента) -розпад супроводжується випромінюванням нейтрино (Ернест Паулі 1931 р.).

 Експериментальне підтвердження його існування отримали у 1952-1956 рр. Випромінювання γ-кванту   - випромінювання пов'язане з переходом ядра із збудженого стану з високим рівнем енергії на нижчий рівень, може супроводжувати  і  - розпади. Воно не викликає зміни заряду, а маса ядра змінюється на дуже малу величину.

 У 1934р. французькі фізики Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі відкрили штучну радіоактивність (радіоактивність ядер, які є продуктами ядерних реакцій; розпад атомного ядра при влученні в нього елементарної частинки).

Природне радіоактивне опронімення людина отримує з Космосу, від Сонця, з надр Землі; штучне – це результат діяльності людини, в процесі виробництва електроенергії на атомних електростанціях, науково-дислідницькі роботи, використання ядерної зброї тощо.

Природа радіоактивного проміння вказує на те, що його причиною є самочинний розпад атомних ядер радіоактивних елементів. Радіоактивне випромінювання не однорідне, а трикомпонентне. При цьому деякі з ядер випускають тільки альфа­частинки, інші - бета-частинки. Є радіоактивні ядра, які випускають і ті й ті частинки. Більшість ядер одночасно випускає і гамма-промені. У радіоактивних ядер, які утворюються штучно, спостерігаються й інші радіоактивні процеси, наприклад виліт протонів або позитронів. Принципової відмінності між двома видами радіоактивності (природної і штучної) немає.

 Спонтанний поділ ядер

У 1940 році російські фізики Г. М. Фльоров і К. А. Петржак відкрили спонтанний (самовільний) поділ ядер. Цей тип реакції характерний для ядер Урану та трансуранових елементів.

   Що відбувається під час спонтанного поділу ядер?  Де використовують штучний поділ ядер? Штучне перетворення ядер

Уперше в історії людства штучне перетворення ядер здійснив Резерфорд у 1919 р. Він припустив, що для того, щоб зруйнувати атомне ядро, потрібна велика енергія, яка сконцентрована у малій частинці. Першим ядром, яке вдалося штучно перетворити, було ядро атома Нітрогену. Бомбардуючи азот α – частинками великої енергії, які випромінює радій, спочатку утворювалося дуже нестійке проміжне ядро ізотопу Флуору, яке викидало протон, перетворюючись при цьому, на ізотоп Оксигену. (Більш детально про штучну радіоактивність вивчатиметься на наступних уроках) Спільною ознакою ядерних реакції і радіоактивного розпаду є ядерне перетворення. Відмінність полягає в тому, що радіоактивний розпад відбувається спонтанно, а ядерна реакція спричинена зовнішнім впливом на ядро.

5. Закріплення вивченого матеріалу

 Тести (Учні виконують завдання)

Варіант 1 1. α-випромінювання – це… A. потік ядер атомів Гелію; B. потік електронів;

Варіант 2 1. β-випромінювання – це… A. потік ядер атомів Гелію; B. потік електронів; ∗ 6 C. електромагнітне випромінювання, довжина хвилі якого менша від довжини хвилі рентгенівських променів

 2. Електромагнітне випромінювання, довжина хвилі якого менша від довжини хвилі рентгенівських променів – це... A. α-випромінювання; B. β-випромінювання; C. γ –випромінювання.

 3. Потік електронів– це... A. α-випромінювання; B. β-випромінювання; C. γ –випромінювання.

 4. Чим відрізняються ядра ізотопів Хлору 17Cl35 і 17Cl37 ? A. кількістю протонів; B. кількістю електронів; C. кількістю нейтронів.

 5. Який ізотоп утворюється з радіоактивного ізотопу Літію 3Li8 після одного β-розпаду? A. 1H4 ; B. 4Be8 ; C. -1е 0 .

 6. Який ізотоп утворюється з радіоактивного ізотопу Урану 92U235 після одного α-розпаду? A. 90Th231; B. 2Не4 ; C. 90Th232 . C. електромагнітне випромінювання, довжина хвилі якого менша від довжини хвилі рентгенівських променів.

 2. γ -випромінювання – це… A. потік ядер атомів Гелію; B. потік електронів; C. електромагнітне випромінювання, довжина хвилі якого менша від довжини хвилі рентгенівських променів.

3. Потік ядер атомів Гелію – це... A. α-випромінювання; B. β-випромінювання; C. γ –випромінювання

4. Чим відрізняються ядра ізотопів Магнію 12Mg26 і 12Mg27 ? A. кількістю електронів; B. кількістю протонів; C. кількістю нейтронів.

5. Який ізотоп утворюється з радіоактивного ізотопу Літію 3Li6 після одного α-розпаду? A. 1H2 ; B. 2Не4 ; C. 4Be8 .

6. Який ізотоп утворюється з радіоактивного ізотопу Марганцю 25 Mn 56 після одного β-розпаду? A. 26Fe56; B. 26Fe58; C. -1е 0 .

 (Вчитель збирає роботи учнів і оголошує правильні відповіді, спроектувавши їх на екран. Діти дізнаються про результати своєї роботи)

 (1 варіант:1-А, 2-С, 3-В, 4-С, 5-В, 6-А; 2 варіант:1-В, 2-С, 3-А, 4-С, 5-А, 6-А )

7. Оцінювання учнів з урахуванням усіх видів їх діяльності на уроці

8. Домашнє завдання 1) Вивчити § 40 за підручником В. Г. Бар’яхтар, С.О.Довгого. Фізика 11 клас . 2) Записати рівняння розпаду при перетворенні 238 U в 206 Pb. 3) Розв'язати задачі. Вправа 40 (1, 2). 4) Творче завдання. Підготувати презентацію на тему: «Радіоактивний ряд урану».

 9. Підсумок уроку. Дослідження показали, що в будь-якому радіоактивному випромінюванні наявні α-частинки, β-частинки та γ-частинки (весь набір або частково).

Радіоактивні розпади відбуваються при переході атомного ядра із збудженого стану в основний.

 Радіоактивні перетворення підкоряються законам збереження енергії. α- та β-розпади підпорядковуються правилам зміщення Содді.

Спонтанні (самовільні, природні) реакції – це реакції, які відбуваються без будь-якого впливу ззовні.

 Штучне перетворення ядер – це взаємодія ядер або елементарних частинок із ядром, наслідком чого є утворення частинок, відмінних від вихідних.