Урок "Радиоактивность. Виды радиоактивного излучения"

Дата______        Класс 9                                Урок № 48                          

Тема: Радиоактивность. Виды радиоактивного излучения, их физическая природа и свойства                                                                                                                                       Цель ввести понятие радиоактивности, изучить историю открытия данного явления, характеристики видов излучения, формирование представления о явлении радиоактивности, о физической природе  и свойствах α-, β-, γ-излучений;  углубить знания учащихся о структуре атома.

   Развивать логическое мышление.  Формировать мыслительные операции: умение делать выводы из представленного материала, сравнивать и сопоставлять характеристики видов излучений, устанавливать сходство и различие, осмысливать учебный материал и глубину изучения данных вопросов, наблюдать и анализировать природные явления, развивать интерес к предмету, расширить кругозор учащихся

     Воспитывать стремление к овладению знаниями и уважение к друг другу, любовь к природе.                                                                                                                                                 

Тип урока: Комбинированный.                                                                                                   

Оборудование: ноутбук, учебник, презентация «Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений». периодическая таблица Менделеева Д.И.

Ход урока

I.        Организационный этап. Приветствие, проверка присутствующих. Объяснение хода урока. (Можно использовать метод « Разминка»)                                                                                                                                                                                                                                  2. Проверка домашнего задания.  Учитель выборочно проверяет письменное домашнее задание у 3-4 человек или привлекает к проверке учащихся с высоким уровнем подготовки.                                                                                                                               ---Фронтальный опрос: (Можно использовать методы  «Ключевые слова», «Гирлянда вопросов», »Цепочка», «Пресс», Тест «Да-Нет».)

2. Мотивация и актуализация знаний

  III. Изучение нового материала. Его восприятие. Осмысление.                 

Радиоактивность представляет собой способность некоторых химических элементов самопроизвольно к излучению.

Радиоактивным распадом называется естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно.

Историческая справка.  Изучая соли урана, французский учёный Анри Беккерель сделал вывод, что соли урана самопроизвольно, без влияния внешних факторов создают какое-то излучение.

26-27 февраля 1896 года Беккерель приготовил несколько образцов кристаллов и прикрепил их к завернутым в бумагу фотопластинкам. Однако в эти дни стояла пасмурная погода, и Беккерель решил отложить опыт. Он считал, что ему необходим яркий солнечный свет. Пластинки были спрятаны в ящик стола и пролежали там около трех дней. Лишь 1 марта, Беккерель решил их проявить, ожидая в лучшем случае, увидеть слабые изображения. Но все оказалось наоборот: изображения были очень четкими. Таким образом, какое-то излучение испускалось солями урана безо всякого освещения светом. 

 Беккерель продолжил исследования солей урана, однако он не понимал природы этого излучения. Однажды, демонстрируя своему гостю излучение урановых образцов, он задал ему вопрос в виде просьбы: «Ведь вы физик и химик одновременно. Проверьте, нет ли в этих излучающих телах примесей, которые могли бы играть особенную роль». И этот вопрос стал научной программой исследований молодой четы: Пьера Кюри (1859 – 1906) и его жены Марии Склодовской-Кюри (1867 – 1934). Двумя годами позднее, супруги Пьер и Мария Кюри, доказали, что аналогичным свойством обладает химический элемент торий Th-232. Затем они же открыли новые, ранее неизвестные элементы – полоний Po-209 и радий Ra-226. Радий – редкий элемент; чтобы получить 1 грамм чистого радия, надо переработать не менее 5 тонн урановой руды; его радиоактивность в несколько миллионов раз выше радиоактивности урана. Впоследствии было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными. Супруги Кюри, явление самопроизвольного излучения назвали радиоактивностью. 

С этого момента ученый тщательно изучал явление естественной радиоактивности.  За это открытие в 1903 году Анри Беккерель был удостоен Нобелевской премии по физике.

Теоретическая часть (данный материал находится на партах, учащихся)

После открытия радиоактивных элементов началось исследование физической природы их излучения. Кроме Беккереля и супругов Кюри, этим занялся Резерфорд.

Классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения, состоял в следующем. Препарат радия помещали на дно узкого канала в куске свинца. Против канала находилась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу. Вся установка размещалась в вакууме.

В отсутствие магнитного поля на фотопластинке после проявления обнаруживалось одно темное пятно точно напротив канала. В магнитном поле пучок распадался на три пучка. В магнитном поле пучок излучения распадался на 3 пучка. Две составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны.

Как это можно объяснить? Это определенно указывало на наличие у этих составляющих электрических зарядов противоположных знаков, то есть эти составляющие представляют поток положительных и отрицательных частиц

Отрицательная компонента излучения отклонялась магнитным полем гораздо больше, чем положительная.

Как это можно объяснить? Либо разная величина заряда частиц, либо разная скорость движения

Третья составляющая не отклонялась магнитным полем.

Как это можно объяснить? Эта составляющая нейтральна, то есть не является потоком заряженных частиц.

 Положительно заряженная компонента получило название альфа-лучей, отрицательно заряженная – бета-лучи и нейтральная – гамма-лучи

Две составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны. Это указывало на наличие у этих излучений электрических зарядов противоположных знаков. При этом отрицательный компонент излучения отклонялся магнитным полем гораздо сильнее, чем положительный. Третья составляющая совсем не отклонялась магнитным полем. Эти три вида излучения очень сильно различаются по проникающей способности, т. е. по тому, насколько интенсивно они поглощаются различными веществами.

Наименьшей проникающей способностью обладают альфа-лучи. Слой бумаги толщиной около 0,1 мм для них уже непрозрачен. Если прикрыть отверстие в свинцовой пластинке листочком бумаги, то на фотопластинке не обнаружится пятна, соответствующего -излучению.

Альфа-излучение

Альфа-излучение — это поток тяжелых положительно заряженных частиц. Возникает в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. В воздухе альфа-излучение проходит не более пяти сантиметров и, как правило, полностью задерживается листом бумаги или внешним омертвевшим слоем кожи. Однако если вещество, испускающее альфа-частицы, попадает внутрь организма с пищей или воздухом, оно облучает внутренние органы и становится опасным.

Бета-излучение

Бета-излучение — это электроны, которые значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь тела на несколько сантиметров. От него можно защититься тонким листом металла, оконным стеклом и даже обычной одеждой. Попадая на незащищенные участки тела, бета-излучение оказывает воздействие, как правило, на верхние слои кожи. Во время аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году пожарные получили ожоги кожи в результате очень сильного облучения бета-частицами. Если вещество, испускающее бета-частицы, попадет в организм, оно будет облучать внутренние ткани.

Гамма-излучение

Гамма-излучение — это фотоны, т.е. электромагнитная волна, несущая энергию. В воздухе оно может проходить большие расстояния, постепенно теряя энергию в результате столкновений с атомами среды. Интенсивное гамма-излучение, если от него не защититься, может повредить не только кожу, но и внутренние ткани. Плотные и тяжелые материалы, такие как железо и свинец, являются отличными барьерами на пути гамма-излучения.

Как видно, альфа-излучение по его характеристикам практически не опасно, если не вдохнуть его частички или не съесть с пищей.

Бета-излучение может причинить ожоги кожи в результате облучения.

Самые опасные свойства у гамма-излучения. Оно проникает глубоко внутрь тела, и вывести его оттуда очень сложно, а воздействие очень разрушительно.

В любом случае без специальных приборов знать, что за вид радиации присутствует в данном конкретном случае нельзя, тем более, что всегда можно случайно вдохнуть частички радиации с воздухом. Поэтому общее правило одно – избегать подобных мест, а если уж попали, то укутаться как можно большим количеством одежды и вещей, дышать через ткань, не есть и не пить, и постараться поскорее покинуть место заражения. А потом при первой же возможности избавиться от всех этих вещей и хорошенько вымыться.

Радиоактивность также можно рассматривать как свидетельство сложного строения атома. Гораздо меньше поглощаются при прохождении через вещество бета-лучи. Алюминиевая пластинка полностью их задерживает только при толщине в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают. гамма-лучи.

Интенсивность поглощения гамма-лучей усиливается с увеличением атомного номера вещества-поглотителя. Но и слой свинца толщиной в 1 см не является для них непреодолимой преградой. При прохождении гамма-лучей через такой слой свинца их интенсивность ослабевает лишь вдвое. Физическая природа альфа-, бета- и гамма-лучей, очевидно, различна.

Гамма-лучи. По своим свойствам   J-лучи очень сильно напоминают рентгеновские, но только их проникающая способность гораздо больше, чем у рентгеновских лучей. Это наводило на мысль, что J-лучи представляют собой электромагнитные волны. Все сомнения в этом отпали после того, как была обнаружена дифракция лучей на кристаллах и измерена их длина волны. Она оказалась очень малой — от 10-8 до 10-11 см.

На шкале электромагнитных волн J- лучи непосредственно следуют за рентгеновскими. Скорость распространения у J-лучей такая же, как у всех электромагнитных волн, — около 300 000 км/с.

Бета-лучи. С самого начала бета- и альфа-лучи рассматривались как потоки заряженных частиц. Проще всего было экспериментировать c бета-лучами, так как они сильнее отклоняются как в магнитном, так и в электрическом поле.

Основная задача экспериментаторов состояла в определении заряда и массы частиц. При исследовании отклонения бета-частиц в электрических и магнитных полях было установлено, что они представляют собой не что иное, как электроны, движущиеся со скоростями, очень близкими к скорости света. Существенно, что скорости бета -частиц, испущенных каким-либо радиоактивным элементом, неодинаковы. Встречаются частицы с самыми различными скоростями. Это и приводит к расширению пучка бета -частиц в магнитном поле (см. рис. 13.6).

Альфа-частицы. Труднее было выяснить природу альфа-частиц, так как они слабее отклоняются магнитным и электрическим полями. Окончательно эту задачу удалось решить Резерфорду. Он измерил отношение заряда q частицы к ее массе m по отклонению в магнитном поле. Оно оказалось примерно в 2 раза меньше, чем у протона — ядра атома водорода. Заряд протона равен элементарному, а его масса очень близка к атомной единице массы1. Следовательно, у альфа-частицы на один элементарный заряд приходится масса, равная двум атомным единицам массы.

Но заряд альфа-частицы и ее масса оставались, тем не менее, неизвестными. Следовало измерить либо заряд, либо массу альфа-частицы. С появлением счетчика Гейгера стало возможным проще и точнее измерить заряд. Сквозь очень тонкое окошко - частицы могут проникать внутрь счетчика и регистрироваться им.

Резерфорд поместил на пути альфа-частиц счетчик Гейгера, который измерял число частиц, испускавшихся радиоактивным веществом за определенное время. Затем он поставил на место счётчика металлический цилиндр, соединенный с чувствительным электрометром.                       Электрометром Резерфорд измерял заряд альфа - частиц, испущенных источником внутрь цилиндра за такое же время (радиоактивность многих веществ почти не меняется со временем). Зная суммарный заряд альфа-частиц и их число, Резерфорд определил отношение этих величин, т. е. заряд одной альфа-частицы. Этот заряд оказался равным двум элементарным.

Таким образом, он установил, что у альфы -частицы на каждый из двух элементарных зарядов приходится две атомные единицы массы. Следовательно, на два элементарных заряда приходится четыре атомные единицы массы. Такой же заряд и такую же относительную атомную массу имеет ядро гелия. Из этого следует, что альфа- частица - это ядро атома гелия.

Запись в тетрадь

•                     В природе существуют радиоактивные химические элементы, которые излучают три вида излучения:

Альфа-излучение   – это поток положительно заряженных α-частиц (ядер гелия), летящих со скоростью 14000-2000 км/с.  

Свойства: альфа-излучение слабо отклоняется электрическими и магнитными полями, проявляет сильную ионизирующую способность, но малую проникающую способность. Радиационный риск при внешнем облучении такими альфа-частицами отсутствует. Однако проникновение альфа-активных радионуклидов внутрь тела, когда облучению подвергаются непосредственно ткани организма, весьма опасно для здоровья.

• Бета-излучение – это поток электронов, летящих со скоростью близкой к скорости света (0,999с)

Свойства: бета-излучение сильно отклоняется электрическими и магнитными полями, проявляет большую проникающую способность, а ионизирующая способность в 2 раза меньше, чем у альфа-излучения

• Гамма-излучение — электромагнитное излучение с длиной волны менее   10^-10 м, имеющее ярко выраженные корпускулярные свойства, то есть являющееся потоком γ-квантов.

Свойства: гамма-излучение не отклоняется электрическими и магнитными полями, ионизирующая способность относительно небольшая, проявляет очень большую проникающую способность: пробег в воздухе –несколько сот метров, в свинце – до 5 см, тело человека пронизывают насквозь.

• При радиоактивном излучении происходят превращения ядер химических элементов (альфа- и бета-распад).

• Радиоактивность - самопроизвольное превращение ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов, сопровождаемое испусканием различных частиц или ядер.

Радиоактивные превращения ядер бывают различных типов: α-распад, β-распад, эти превращения подчиняются правилу смещения, сформулированному впервые английским ученым Ф. Содди.

Естественная радиоактивность – самопроизвольное превращение ядер некоторых химических элементов в ядра других химических элементов, которое сопровождается выбросом частиц и электромагнитным излучением. Радиоактивные превращения ядер бывают различных типов: α -распад, β -распад. Превращения подчиняются правилу смещения .
 

 Радиоактивные превращения

В чём же заключается физическая сущность явления радиоактивности?

Для ответа на этот вопрос необходимо исследовать само радиоактивное вещество.

Что же происходит с радиоактивным веществом?
Уже самые первые опыты, проделанные Резерфордом совместно с английским ученым Ф. Содди, убедили их, что при радиоактивном распаде происходит превращение одних химических элементов в другие.
Цепочки превращений испытали радиоактивные элементы: актиний, торий, уран. Общий вывод, к которому пришли ученые, сформировал Резерфорд:

α – распад: Ядро теряет положительный заряд 2ē и масса его убывает на 4 а.е.м. Элемент смещается на 2 клетки к началу периодической системы.

^A_ZХα → ^A-4_Z-2Y + ⁴₂He

β – распад: из ядра вылетает электрон, заряд увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной. Элемент смещается на 1 клетку к концу периодической системы.

^A_ZХβ → ^A_Z+1Y + ⁰_-1Е

Проблемная ситуация. Вопрос к классу: Если вы внимательно следите за моими рассуждениями, то должны мне задать вопрос. (Как же из ядра вылетают электроны, если их там нет?!!!)

 Ответ: приβ – распаде нейтрон превращается в протон с испусканием электрона 
¹₀n → ¹₁p + ⁰_-1e+ υ (υ - антинейтрино)
γ – излучение не сопровождается изменением заряда, масса же ядра меняется ничтожно мало, так как излучаемые  фотоны не имеют заряда и их масса ничтожно мала

Демонстрация видеофайла с компьютерной моделью альфа-распада и бета-распада

IV. Применение и закрепление знаний. Решение задач. 

Выполнение двух упражнений на применение правила смещения с использованием   компьютерной модели периодической таблицы Менделеева

Самостоятельное решение задач с использованием таблицы Менделеева. Для проверки правильности решения отдельные учащиеся решают задачи у доски.

Задача 1: Изотоп тория ²³⁰₉₀Th испускает α-частицу. Какой элемент при этом образуется? 
Решение:²³⁰₉₀Th α → ²²⁶₈₈Ra + ⁴₂He 
Задача 2: Изотоп тория ²³⁰₉₀Th испускает β-радиоактивен. Какой элемент при этом образуется?
Решение:²³⁰₉₀Th  β → ²³⁰₉₁Рa + 0-1e
Задача 3: Протактиний ²³¹₉₁Рa α –радиоактивен. С помощью правил «сдвига» и таблицы элементов Менделеева определите, какой элемент получается с помощью этого распада.
Решение: ²³¹₉₁Рa α → ²²⁷₈₉Ас + ⁴₂Не
Задача 4: В какой элемент превращения уран ²³⁹₉₂U после двух β – распадов и одного α – распада?
Решение:²³⁹₉₂U  β → ²³⁹₉₃Np β → ²³⁹₉₄Pu α → ²³⁵₉₂U
Задача 5: Написать цепочку ядерных превращений неона:  β, β, β, α, α, β, α, α
Решение: ²⁰₁₀Ne β → ²⁰₁₁Na β → ²⁰₁₂Mg β → ²⁰₁₃Al α → ¹⁶₁₁Na α → ¹²₉F β → ¹²₁₀Neα →⁸₈O α → ⁴₆C                                                                        

V. Рефлексия. Подведение итогов урока.

VI. Сообщение домашнего задания. § 23 изучить, упражнение 23(2,5) выполнить,

Таблицу доработать.