Урок з фізики для 11 класу " Рентгенівське випромінювання, його застосування медицині та техніці. Роботи І. Пулюя."

Про матеріал

Наукові і технічні здобутки людства важко уявити без використання невидимих променів або, як звикли ми називати їх, рентгенівських. Ці промені давно вже здобули найширше визнання і сьогодні повсюди застосовуються для комп’ютерної томографії і рентгенографії, для рентгенівської мікроскопії, спектроскопії, лікарської діагностики. Академік Євген Чазов у статті «Медицина ХХ-го сторіччя. Еволюція діагностики» пише: «... Ми є свідками тієї революції, яка пройшла на наших очах у можливостях як діагностики, так і лікування захворювань внутрішніх органів». Початком революції академік вважає 22 грудня 1895 року, коли, за його версією, професор Рентген отримав першу рентгенограму.

Перегляд файлу

Конунальний заклад "Костянтинівський ліцей"

Сахновщинської селищної ради

Красноградського району

Харківської області

Урок з фізики для 11 класу

" Рентгенівське випромінювання, його застосування медицині та техніці. Роботи І. Пулюя."

Підготувала:

вчитель фізики та астрономії

Штафун Анастасія Миколаївна

2023

ФІЗИКА 11 КЛАС

(рівень стандарту, за навчальною програмою авторського колективу під керівництвом Локтєва В. М.)

Урок

Тема уроку: Рентгенівське випромінювання, його застосування медицині та техніці. Роботи І. Пулюя.

Мета уроку:

навчальна:

сформувати поняття про рентгенівське випромінювання;
ознайомити з його фізичними властивостями і практичним використанням;
ознайомитися з відкриттями В.Рентгена, І.Пулюя.

розвивальна:

розвивати пізнавальні інтереси та інтелектуальні здібності учнів;
формувати в учнів вміння користуватися науково-популярною літературою;

виховна:

виховати працелюбність, точність і чіткість при відповідях та навчити дітей «бачити» фізику навколо себе;
формуванню національної свідомості, гідності учня, вихованню поваги й любові до рідної землі й українських традицій.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу

Наочність і обладнання: підручник, комп'ютер.

Хід уроку

І. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ ЕТАП

1. Привітання з класом.

2. Перевірка присутніх на уроці.

3. Перевірка домашнього завдання.

II. МОТИВАЦІЯ ПІЗНАВАЛЬНОЇ ДІЯЛЬНОСТІ

Академік Євген Чазов у статті «Медицина ХХ-го сторіччя. Еволюція діагностики» пише: «... Ми є свідками тієї революції, яка пройшла на наших очах у можливостях як діагностики, так і лікування захворювань внутрішніх органів». Початком революції академік вважає 22 грудня 1895 року, коли, за його версією, професор Рентген отримав першу рентгенограму.

IІІ. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Наприкінці XIX ст. загальну увагу фізиків привернув газовий розряд під малим тиском. У газорозрядній трубці виникав потік частинок невідомої природи. Оскільки свій початок воно брало на катоді трубки, проміння називали катодним. Пізніше було з’ясовано, що катодне проміння - це потік електронів.

Найбільш ранні дослідження променів, нині відомих як ренгенівські, датуються 1880 роком, коли англійський фізик Вільям Крукс разом із своїм асистентом німцем Йоганном Гітторфом під час вивчення процесів проходження електричного струму через розріджені гази виявив, що фотопластини, розміщені біля газорозрядних трубок, "засвічуються" або містять якісь незрозумілі обриси і тіні. Не знайшовши причину цього явища, вони не стали його досліджувати.

8 листопада 1895 року професор фізики Вільгельм Рентген випадковим чином відкрив промені невідомого походження, які він назвав X-променями і які згодом були названі його іменем. Це відкриття зробило значний внесок в розвиток фізики та хімії і разом з іншими відкриттями свого часу змінили багато положень класичної фізики.

Але за 14 років до відкриття В. Рентгена український вчений Іван Пулюй досліджував катодне проміння. Він помітив, що фотопластинка поблизу газорозрядної трубки засвічувалась навіть тоді, коли трубка була обгорнута чорним папером.

Багато хто задасть питання, як українець відкрив «рентгенівські» промені, але всі про це забули. Хто це і як це сталося? Ви дізнаєтеся з поданої бібліографії Івана Пулія. (Додаток 1https://msmb.org.ua/media/msmb/images/content/bibliorafiya/2020/31-01/p2.jpg )

Видатний електротехнiк, знаменитий фiзик i громадсько-полiтичний дiяч, відомий вчений i патрiот України Iван Пулюй народився 2 лютого 1845 року в в релігійній греко-католицькій родині мiстечка Гримайлiв, що на Тернопільщині.

(Додаток 2) https://msmb.org.ua/media/msmb/images/content/bibliorafiya/2020/31-01/p3.png)

В 1864 роцi юнак з вiдзнакою закiнчив Тернопiльську гімназію і для продовження освiти пiшки вирушив до столицi Австро-Угорщини. Через п'ять рокiв він опанував курс богослов'я, а згодом закiнчив i фiлософський факультет Вiденського Унiверситету. Одночасно відвідував лекції з математики, фізики та астрономії. Після закінчення курсу богослов'я Івана Пулюя чекав вигідний сан священика. Цього так хотіли і його батьки. Іван Пулюй вибрав іншу життєву дорогу - поглиблено вивчає фізику та електротехніку. Саме ці знання підняли його на вершину світової слави.

Своїм творчим кредом у науцi Iван Пулюй обирає дослiдження фiзичних процесiв та явищ.

Після закінчення навчання - асистент кафедри експериментальної фізики цього університету, згодом - асистент-викладач кафедри фізики, механіки та математики Військово-морської академії у м. Фіуме (тепер Рієка в Хорватії).

1875 р. в Страсбурзькому університеті вивчає електротехніку, з відзнакою захищає дисертацію і здобуває ступінь доктора філософії цього ж університету (спеціалізація з фізики).

Здобувши у Вiднi звання доцента, вчений понад тридцять рокiв (1884-1916) працював професором нiмецького Празького полiтехнiчного iнституту, займав посади декана фiзичного факультету та ректора цього закладу.

1902 р. - перший декан першого в Європі електротехнічного факультету.

Цісар Франц-Йосиф іменував Івана Пулюя Радником Двору, нагородив Лицарським Хрестом.

Як не прикро, але в Україні ім'я Пулюя донедавна багатьом було невідоме. Тільки із здобуттям незалежності про нього заговорили, його наукові здобутки стають надбанням нації. Вчені особливо відзначають праці Івана Пулюя в галузі молекулярної фізики - дані про коефіцієнти внутрішнього тертя та дифузії газів і пари є вихідними, коли обчислюють такі мікроскопічні величини, як середня довжина вільного пробігу молекул, їх кількість в одній граммолекулі тощо.

Свiтова наукова громада знає професора Пулюя як визначного теоретика i експериментатора, автора багатьох неординарних наукових праць, оригiнальних i цiнних винаходiв, загальновизнаного фахiвця iз спорудження електростанцiй, висококвалiфiкованого спецiалiста iз стародавнiх мов.

«Нехай не гасне світ науки!» — рядок з «Молитви» Пантелеймона Куліша, яку він присвятив своєму другові Іванові Пулюю, великому світочу української науки і культури. «Про людину, що просвітила розумом науку і духовність, заговорить, невдовзі з величною повагою не лише Україна, але й світ», — сказав Пантелеймон Куліш.

Помер видатний вчений та громадсько-культурний дiяч Iван Пулюй 31 сiчня 1918 року у Празi, де i похований.

Наукова діяльність.

Іван Пулюй, як справжній український патріот, спробував почати свою наукову діяльність в Київському університеті, відіславши запит на кафедру фізики. Але, його захопленість українською культурою йому зашкодила – він отримав відмову, оскільки поліція Російської імперії вважала його неблагонадійним (Київ тоді був у складі Російської імперії, а щодо вживання української мови діяв Валуєвській циркуляр). Крім того, поліцейські чиновники в науково-популярній статті Пулюя “Про нерухомі зірки і планети” вмудрилися знайти критику самодержавства.

Отримавши відмову, молодий вчений залишається у Віденському університеті на скромній посаді асистента на кафедрі фізики, потім якийсь час він викладає фізику у Військово-морській академії в місті Фіумі (нині хорватське місто Рієка).

Іван Пулюй, 1870 рік

В 1875 році Іван Пулюй стає стипендіатом австрійського Міністерства освіти і його відряджають удосконалювати свої професійні знання в Страсбургській університет до професора Августа Кундта.

Там вперше і відбулася його зустріч з Вільгельмом-Конрадом Рентгеном, який був у той час асистентом професора Кундта.

Через деякий час Пулюй знайомиться з молодим Ніколою Теслою, який також проходить стажування у Кундта. Удвох вони починають цікавитися явищами, породжуваними електричним струмом у вакуумі. Для виготовлення трубок, необхідних для проведення наукових експериментів, Пулюй з Теслою попутно освоюють ремесло склодувів.

Рентген же, за свідченням деяких істориків, мав інші наукові захоплення, але був в курсі успіхів Пулюя і Тесли.

Саме І. Пулюй своїми глибокими дослідженнями катодних променів і конструюванням досконалих катодних ламп, здійсненими на початку 1880-х років, прокладав шлях до відкриття Х-променів, яке завдяки щасливому випадкові випало на долю Рентгена наприкінці 1895 р.

Чому ж так сталося, що відкриття українця відоме світові під іншим іменем?

Катодні трубки і скляні прилади для фізичних експериментів український фізик створював самотужки - і перші зразки своїх «ламп» він презентував за 12-14 років до експериментів Рентгена.(Додаток4 https://msmb.org.ua/media/msmb/images/content/bibliorafiya/2020/31-01/p5.jpg) Проте останній був німцем, а перший - українцем у німецькій імперії. Було би дивно, якби українцеві в ті часи вдалося захистити свій патент.

У 1880-1882 роках Пулюй робить докладний опис катодного видимого випромінювання. А згодом робить декілька променевих знімків - зламаної кістки 13-річного підлітка та руки власної дочки із металевою шпилькою під поверхнею долоні, а також скелета мертвої дитини. (Додаток 3 https://msmb.org.ua/media/msmb/images/content/bibliorafiya/2020/31-01/p4.png)

Для запровадження регулярних лабораторних дослідів потрібна була і лабораторія, і кошти, яких у Пулюя не було. А от Рентген все це мав - тому й промені «дісталися» йому. Так згадував син Пулюя про день, коли батько довідався, що його відкриття приписано іншому. "Він прочитав звістку про Рентгенове відкриття, лежачи ще в ліжку. Підірвавшись із нього і схопившись руками за голову, він раз у раз скрикував: "Моя лямпа! Моя лямпа!". Пулюй одразу сів писати листа колезі – Вільгельму Рентгену. Він запитував Рентгена, чи користувався той подарованими йому "лампами Пулюя", Рентген не відповів…

Успіхи на науковій ниві дозволили Івану Пулюю в 1877 році одержати ступінь доктора натуральної філософії Страсбургського університету, що стало першим визнанням його таланту науковою громадськістю.

Альберт Ейнштейн, котрий був його добрим товаришем, пише в листі до Пулюя: "Не можу Вас нічим утішити: що сталося - не змінити. Хай залишається при Вас сатисфакція, що й Ви вклали свою частку в епохальне відкриття. Хіба цього мало? А коли на тверезий розум, то все має логіку. Хто стоїть за Вами, русинами, - яка культура, які акції? Прикро Вам це слухати, та куди дінешся від своєї долі? А за Рентгеном - уся Європа".

В 1888 р. брав участь в електричній віденській виставі із своїми науковими і електричними приладами.

З огляду на особливу актуальність досліджень Пулюя Лондонське фізичне товариство 1889 р. видало його монографію, присвячену катодним променям і дотичним питанням, в англійському перекладі в книжці, де друкувалися результати найважливіших фізичних досліджень, виконаних поза межами Великобританії. Ця книжка містить праці чотирьох авторів - Гельмгольца, Гітторфа, Пулюя і Ван дер Ваальса, ці імена добре відомі сучасним фізикам й історикам науки.

Іван Пулюй – збудував першу в Австро-Угорській імперії електростанцію, удосконалив телефон, першим дослідив неонове світло, налагодив промислове виробництво люмінесцентних ламп власної конструкції. У 90-х роках ХІХ ст. Пулюй відіграв вирішальну роль як керівник проектування і будівництва багатьох електростанцій на змінному струмі в Чехії. Якість проектів і їх реалізації були дуже високими, із дотриманням екологічних вимог навіть сучасного рівня (тому, зокрема, мешканці Праги досі використовують електроенергію, яку дає їм «Пулюєва» електростанція)

Був першим деканом першого в Європі електротехнічного факультету, радником цісарського двору.

Також І. Пулюй виступав із обґрунтованою критикою політики австрійських властей щодо права української молоді здобувати вищу освіту рідною мовою. Починаючи від 1902 р. наполегливо домагався відкриття українського університету у Львові. Врешті послідовність і впертість Пулюя змусили австрійський уряд, в листопаді 1912 р. оголосити проект заснування українського університету у Львові. Його відкриття призначалося на початок 1916 р., однак через війну цей проект не було здійснено.

1915 року видав низку статей і дві брошури німецькою мовою. В них він обґрунтував тезу про необхідність створення самостійної української держави, яка стане ключем до миру і стабільності в Європі. Зокрема, сто років тому в брошурі «Україна та її міжнародне політичне значення» наголосив: «Вільна Україна означає бастіон, безпеку середньоєвропейських держав, тому її визволення лежить не тільки в інтересі цих держав, а й цілої Європи». Ніби сьогодні сказано...

1916 року професор Пулюй одержав пропозицію зайняти посаду міністра освіти Австрійської монархії, однак відмовився за станом здоров’я і вийшов на пенсію.

Але осторонь громадського життя не залишився: створює товариство в Празі, яке допомагало українським емігрантам. Також Пулюй запускає фонд допомоги талановитим студентам. Крім того Пулюй знав 15 мов.

Багато зусиль патріот доклав, щоб вибороти право поширювати Святе Письмо українською мовою для земляків у Російській імперії. Разом із Пантелеймоном Кулішем та Іваном Нечуєм-Левицьким брав участь у першому повному перекладі Біблії на українську мову, який був опублікований Британським біблійним товариством у 1903 році. (Додаток 5 https://msmb.org.ua/media/msmb/images/content/bibliorafiya/2020/31-01/p11.png)

Батьки, які були дуже релігійними, хотіли аби він став священиком. Відмовившись від цього Пулюй втратив їхню фінансову підтримку, але зумів досягти всього сам.

«Професор Іван Пулюй був не тільки найвизначнішим фізиком Австро-Угорщини. Він належав до тих, хто у другій половині XIX — на початку ХХ-го століть формував світ», — так його охарактеризував відомий австрійський професор XIX — XX сторіччя Вільгельм Форман.

У 1888 році X-промені виявив і німецький фізик Філіп фон Ленард, який вивчав можливість проникнення променів, які виникають у катодних трубок, за їх межі у повітря і їх здатність променів проникати крізь різні матеріали. Своє відкриття він опублікував у 1893 році в американській газеті The San Francisco Examiner у статті під назвою "Фотографії, зроблені в темноті".

Вільгельм Рентген зазвичай вважається першовідкривачем X-промені завдяки тому, що він їх першим став систематично вивчати. (Додаток 6 https://www.jnsm.com.ua/ures/img/Wilhelm_Rontgen.jpg)

X-промені були відкриті випадково 8 листопада 1895 року, коли Рентген включив щільно закриту чорним папером катодну трубку і помітив, що кристали платиноціаністого барію, які лежали поруч почали світитися зеленуватим кольором. Кілька разів включаючи і відключаючи катодну трубку, Рентген встановив однозначну закономірність і присвятив свої подальші дослідження виявленню природи невідомого явища. Він виявив, що невідомі промені виникають в місці зіткнення катодних променів з перепоною всередині трубки і здатні проникати через непрозорі матеріали, не відбиваючись і не заломлюючись.

З допомогою спеціально сконструйованій електророзрядній трубці Ретген встановив, що невідоме випромінювання засвічує фотопластини завдяки іонізації навколишнього повітря. Він також був першим, хто зробив перші знімки в X-променях. 28 грудня 1895 року Вільгельм Рентген опублікував свої дослідження в журналі фізико-медичного товариства міста Вюрцбург. Досить швидко рентгенівські промені знайшли застосування у медицині — вже 11 січня 1896 року англійський лікар Джон Едвардс з Бірмінгему застосував ренгенівський знімок для пошуку голки, що застрягла під шкірою пацієнтки, а в лютому цього ж року Гілман Фрост з Дортмундського коледжу — для правильного лікування перелому. При цьому він використав катодну трубку професора Пулюя, яка, як виявилось, була єдиною з відомих на той час, що давала інтесивне ренгенівське проміння.

За своє відкриття в 1901 році Вільгельм Рентген отримав першу Нобелівську премію з фізики, за якою відмовився їхати в Швецію, зіславшись на зайнятість і отримав її поштою. Будучи скромною від природи людиною, він відмовляся називати відкрите ним випромінювання своїм іменем, відмовився від дворянського титулу, а з початком Першої світової війни віддав всі свої заощадження, включаючи Нобелівську премію, уряду Німеччини.

Рентгенівське випромінювання (Х- промені) - це електромагнітні хвилі з довжиною меншою, ніж у ультрафіолетового випромінювання (80нм - 10^-4нм), які виникають або при гальмуванні швидких електронів в речовині чи полі, або випромінюються атомами з високим порядковим номером при переходах електронів на внутрішніх орбітах. (Додаток 7)
Важливими властивостями Х- променів є їх велика проникність, що залежить від густини речовини, здібність викликати світіння деяких речовин, засвічувати фотоплівку, добре поглинатись атомами важких металів.

Рентгенівські промені добувають за допомогою спеціальних двохелектродних ламп (мал. 286), на які подається висока напруга порядку 50-200 кВ. Принцип дії рентгенівської трубки такий. Електрони, що їх випускає розжарений катод рентгенівської трубки, прискорюються потужним електричним полем у просторі між анодом і катодом і з великою швидкістю ударяються об анод. При цьому з поверхні анода випромінюється рентгенівське проміння, яке виходить назовні крізь скло трубки.

Якщо ж електрони в прискорюючому полі набувають достатньо великої швидкості, щоб проникнути всередину атомів речовини анода і вибити один із електронів його внутрішнього шару, то на його місце переходить електрон з віддаленішого шару з випромінюванням кванта великої енергії.

Таким чином, рентгенівське випромінювання виникає внаслідок гальмування швидких електронів у речовині та випромінюється під час енергетичних переходів електронів між рівнями внутрішніх оболонок атома. Рентгенівські промені розрізняють за їх жорсткістю: чим коротша довжина хвилі рентгенівських променів, тим вони жорсткіші. Важливою особливістю рентгенівських променів є їх висока проникна здатність. Чим жорсткіші рентгенівські промені, тим слабше вони поглинаються і тим вища їх проникна здатність. Поглинання рентгенівських променів речовиною залежить від її природи. Добре поглинають рентгенівські промені атоми важких елементів, незважаючи на те, до складу яких хімічних речовин вони входять. Як і будь-які електромагнітні хвилі, рентгенівські промені не відхиляються в електричному і магнітному полях. Вони майже не заломлюються, переходячи з одного середовища в інше.

Рентгенівське випромінювання застосовують:

у медицині (кісткові тканини менш прозорі для рентгенівського випромінювання, ніж інші тканини організму людини, тому кістки чітко видно на рентгенограмі);
у промисловості (для виявлення дефектів);
у хімії (для аналізу сполук);
у фізиці (для дослідження структури кристалів).