Тернівський професійний гірничий ліцей

 

 

 

 

Розділ: Квантова фізика

Конспект уроку

«Радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду»

 

Викладач Камуля С.Є.

Дата проведення 4.11.2022

 

 

 

 

 

2022-2023 н.р.

   

Предмет: Фізика та астрономія

Розділ: Квантова фізика

Тема уроку: Радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду.

Вікова категорія: ІІІ курс

Професія: «Електрослюсар підземний. Машиніст підземних установок. Машиніст електровоза» Мета уроку:

⎯  ознайомити учнів з відкриттям явища природної радіоактивності та властивостями радіоактивних випромінювань різних типів;

⎯ розглянути закономірності закону радіоактивного розпаду, показати його статистичний характер;

⎯ акцентувати увагу учнів на тому, як довго відбувається процес регенерації радіоактивно забруднених територій та з якої причини створюють зони відчуження.

⎯ розвивати логічне мислення учнів, підтримання інтересу до вивчення фізики;

⎯ вміти аналізувати фізичні процеси та робити висновки;

Тип уроку: комбінований, урок засвоєння нових знань

Форма проведення уроку: online

Обладнання: ноутбук, презентація

Література: Сиротюк В.Д. «Фізика і астрономія» (рівень стандарту, за навч. програмою авт. кол. під керівництвом Ляшенка О.І.): підр. для 11-го кл. закл. заг. серед. освіти / Володимир Сиротюк, Юрій Мирошніченко. – Киів: Генеза, 2019. – 386 с.: іл.

             

Хід уроку

 

І. Організаційний етап

Повідомлення теми та мети уроку,  перевірка присутніх на уроці.

 

ІІ. Актуалізація опорних знань

⎯ Як називаються протони та нейтрони разом?

⎯ Де ставиться зарядове число по відношенню до символу елементу?

⎯ Який заряд має α-частинка? 

⎯ Який заряд має β-частинка?

⎯ Який заряд має γ-частинка?

⎯ Які частинки мають найбільшу проникаючу здатність?

 

ІІІ. Вивчення нового матеріалу

План вивчення нового матеріалу:

⎯ Досліди А.Беккереля, П.Кюрі та М.Кюрі.

⎯ Визначення радіоактивності.

⎯ Види радіоактивного випромінювання, їх властивості та природа.

⎯ Правила зміщення Содді.

⎯ Період напіврозпаду.

⎯ Закон радіоактивного розпаду.

⎯ Застосування радіонуклідів.

⎯ Приклад розв’язування задач.

 

Досліди А.Беккереля, П.Кюрі та М.Кюрі

Ви вже знаєте, що радіоактивність – це явище, яке свідчить про складну будову атомного ядра. Після відкриття Вільгельмом Рентгеном у 1986 році рентгенівського випромінювання внаслідок зіткнення швидких електронів з антикатодом розрядної трубки, Анрі Беккерель довго досліджував споріднене явище – післясвічення речовини, які перед тим були опромінені сонячним світлом. Одним із найбільш переконливих доказів складної будови атомів стало відкриття у 1896 році французьким фізиком Анрі Беккерелем явище природної радіоактивності. До таких речовин належать солі урану, з якими він експериментував. Вчений відкрив, що солі

урану утворюють якесь проміння спонтанно, без впливу зовнішніх чинників.

Беккерель виявив, що промені уранової солі йонізують повітря так само, як і рентгенівські. Цим він встановив, що інтенсивність випромінювання визначається лише кількістю урану в препараті і зовсім не залежить від того, до яких сполук він входить. Отже, це властивість самого хімічного елементу та його атомів.

У 1898 році у Франції Марія Склавовська-Кюрі та П’єр Кюрі виявили випромінювання торію. Систематичне дослідження руд, що містять уран і торій, дало їм змогу виділити новий хімічний елемент Полоній. Згодом відкрили ще один елемент, якому властиве інтенсивне випромінювання – Радій. Саме явище спонтанного випромінювання подружжя Кюрі було названо радіоактивністю. Показати презеттацію «Дослідження радіоактивності»

 

Визначення радіоактивності

Після відкриття радіоактивних елементів почалося дослідження фізичної природи їхнього випромінювання. Над цим питанням почав працювати Резерфорд.

Радіоактивний препарат вміщували на дно вузького каналу в шматку свинцю. Проти каналу розміщували фотопластинку. На проміння, яке виходило з каналу, діяли сильним магнітним полем, перпендикулірним до нього. Усю установку розміщували у вакуумі. Якщо магнітного поля не було. То на проявленій пластинці виявляли одну тільки темну пляму, точно проти каналу. У магнітному полі пучок розпадався на три пучки.

Дві складові первинного потоку відхилялись у протилежні боки. Це переконливо вказувало на те, що вони мають електричні заряди протилежних знаків. При цьому негативну складову променя магнітне поле відхиляло значно більше, ніж позитивну.

Третю складову мегнітне поле не відхиляло. Позитивно заряджені складова випромінювання отримала назву «альфа-випромінювання», негативно заряджена – «бета-випромінювання», а нейтральна – «гамма-випромінювання» (α-промені, β-промені, γ-промені).

 

Види радіоактивного випромінювання, їх властивості та природа Ці три види випромінювання дуже різняться між собою за проникною здатністю, тобто за тим, наскільки інтенсивно їх поглинають різні речовини. Найменьшу проникну здатність мають α-промені. Шар паперу товщиною близько 0,1 мм для них вже непрозорий. Значно меньше поглинаються  β-промені. Алюмінієва пластинка завтовшки кілька міліметрів затримує їх. Найбільшу проникну здатність мають γ-промені. Інтенсивність їх поглинання збільшується зі зростанням атомного номера речовини-поглинача. Для їх поглинання потрібен шар свинцю товщиною понад 20 см.

 

Альберт Ейнштейн і Фредерік Содді встановили, що атомам деяких елементів властивий спонтанний розпад, який супроводжується випромінюванням величезної кількості енергії порівняно з енергією, яка вивільняється в процесі звичайних молекулярних видозмін. Саме атомне ядро зазнає змін під час

радіоактивних перетворень.

Спонтанне перетворення одних ядер в інші, яке супроводжується випромінюванням різних частинок, отримало назву радіоактивності.

Пограти в гру, перейшовши за посиланням: https://wordwall.net/play/27768/362/738

 

 

Правило зміщення Содді

Правила зміщення показують, що під час радіоактивного розпаду зберігається заряд і наближено зберігається відносна атомна маса ядер. Нові ядра, що утворюються під час радіоактивного розпаду також є радіоактивноми.

Під час α-розпаду ядро втрачає позитивний заряд 2е, і маса його зменьшується приблизно на 4 о.а.м. Отже, елемент зміщується на 2 клітинки до початку

Періодичної таблиці елементів Д.І.Менделєєва. При розпаді виділяється гелій. Самий небезпечний для людини. Не виводиться з організму.

Після β-розпаду елемент зміщується на одну клатинку ближче до кінця Періодичної таблиці елементів Д.І.Менделєєва. це перетворення відбувається з поглинанням енергії, оскільки маса протона менша від маси нейтрона і самовільно відбуватись не може. Це потік швидкіх електронів, швидкість яких близька до швидкості світла у вакуумі.

Під час γ-випромінювання не відбувається зміни заряду; маса ядра змінбється надзвичайно мало. Воно виникає слідом за α- і β-розпадами,оскільки атомне ядро у результаті розпадів перебуває у збудженому стані та переходить на нижчий енергетичний рівень. В 20 разів безпечніше, ніж α-випомінювання.

Правила зміщення показують, що під час радіоактивного розпаду зберігається електричний заряд і наближено  зберігається відносна атомна маса ядер. Нові ядра, що утворюються під час радіоактивного розпаду, звичайно, також є радіоактивними.

Пограти в гру, перейшовши за посиланням: https://wordwall.net/play/9404/341/656

 

Період напіврозпаду

Досліджуючи перетворення радіоактивних речовин, Резерфорд експериментально встановив, що їхня активність із часом зменьшується. Так, активність радону зменьшується в 2 рази вже через 1 хв. Активність таких елементів, як Уран, Торій і Радій, також із часом зменшується, але значно повільніше. Для кожної радіоактивної речовини є перний інтервал часу, потягом якого активність зменьшується удвічі. Цей інтервал називають періодом напіврозпаду.

Період напіврозпаду Т – це той час, за який розпадається половина всієї кількості наявних радіоактивних атомів. 

Зменьшення активності елементу вдвічі можна досягти простим поділом його на дві рівні частини.

N0 – початкова кількість радіоактивних атомів; N – кількість атомів, що не розпалася;

N´        -           кількість         атомів,            що розпалася.

N₀ = N + N´

Макроскопічний зразок радіоактивного ізотопу містить величезну кількість радіоактивних ядер. Ці ядра розпадаються не одночасно, а протягом деякого часу.процес розпаду має випадковий характер: ми не можемо точно передбачити, коли розпадеться певне ядро. Проте, використовуючи теорію ймовірності, ми можему визначити, скільки ядер розпадеться потягом деякого часу.

 

Закон радіоактивного розпаду

Закон радіоактивного розпаду справджується в середньому для великої кількості ядер. Якщо атомів мало, то говорити про певний закон не можна, оскільки він встановлює, яка в середньому кількість атомів розпадеться за даний інтервал часу. Але завжди бувають неминучі відхилення від середнього значення, і чим більше атомів, тим більші ці відхилення.

−𝒕 N = N0∙ 𝟐𝑻

За цією формулою знаходять кількість атомів, які ще не розпалися для будь-якого моменту часу.

Період піврозраду – основна величина, що характеризує швидкість радіоактивного розпаду. Що менший період піврозпаду, то менший час життя атомів і швидше відбувається розпад. Для різних речовин значення його дуже різняться. Так, для урану 𝑈 період піврозпаду – 4,5 млрд років. Саме через активність Урану за кілька років помітно не змінюється. Для радію Т ≈ 1600 років. Тому активність Радію значно більше, ніж Урану. Що менший період піврозпаду, то інтенсивніше відбувається розпад. Є радіоактивні елементи, у яких період піврозпаду становить мільйонні частки секунди. Закон радіоактивного розпаду – це статистичний закон. Він справджується в середньому для великої кількості частинок.

Згодом були відкриті й інші процеси перетворення частинок та виявлені нові частинки (та їх античастинки), що зумовило появу нового напряму у фізиці – фізики елементарних

частинок.

Пограти в гру, перейшовши за посиланням: https://wordwall.net/play/15024/075/421

 

Застосування радіонуклідів

Радіоактивні ізотопи різних хімічних елементів мають свої галузі застосування. Основою їх практичного використання є такі їхні властивості:

⎯ будь-який радіоактивний ізотоп є «міченим» атомом відповідного елемента, тобто атом, який за фізичними і хімічними властивостями не вілрізняється від звичайного атома, однак поведінку якого можна спостерігати за його радіоактивним віпромінюванням, наприклад, за допомогою лічільника Гейгера-Мюллера;

⎯ будь-яке радіоактивне випромінювання має певну проникну здатність, тобто властивість поширюватись і поглинатись в даному середовищі певним чином;

⎯ радіоактивні випромінювання йонізують речовину;

⎯ під дією нейтронів та інших випромінювань великої енергії в речовині утворюється наведена радіоактивність.

Відповідно до цих властивостей виділяють і основні методи їх використання.

Наприклад, використовуючи «мічений» атом, можна дізнаватись про швидкість обміну речовин в тканинах живого організму, про швидкість руху крові в судинах або нафтопродуктів трубопроводами тощо. У машинобудуванні мічені атоми використовують для вивчення характеру зношування деталей машин залежно від режиму роботи і властивостей змащувальних речовин. У медицині за допомогою мічених атомів проводять діагностику деяких захворювань, вивчають вміст тих чи інших речовин в різних тканинах і органах людини, обмін речовин в організмі тощо. Йонізуюча здатність діоактивних випромінювань використовується для руйнування злоякісних пухлин, стерилізації фармацевтичних препаратів та хорчових продуктів.

Проникна    здатність         радіоактивних           речовин          використовується      у приладах, призначених для вимірювання товщини, густини речовини, рівня рідин чи сипучих тіл в закритих ємкостях. Вона є основою принципу дії лічільників, дефектоскопів, гамма-релейних пристроїв.

Наведена радіоактивність використовується для дослідження вмісту речовини. Деякі з атомів стабільних ізотопів досліджуваної речовини, захопивши нейтрони, перетворюються в радіоактивні ізотопи. За характером наведеного радіоактивного випромінювання можна судити про наявність у речовини тих чи інших домішок. Особливістю методу є те, що він дає змогу виявити домішки у дуже малих концентраціях. Цей метод використовують для встановлення віку археологічних об’єктів.

 

Приклад розв’язування задач

Деяка маса радіоактивного Радію містить 25·10⁶ атомів. Скільки атомів розпадеться за добу, якщо період напіврозпаду Радію 1620 років?

≈ 30            

2. Як розуміти те, що закон радіоактивного розпаду – це закон статистичний?

 

V. Рефлексія

 

VІ. Домашнє завдання

Прочитати §45, відповісти на запитання наприкінці параграфу, знайти додаткову інформацію про факти біографії та наукові дослідження А.Беккереля, М.Кюрі, А.Ейнштейна та Ф.Содді