Тема урока: Методы наблюдения и регистрации
радиоактивных излучений.
Цели урока:
Образовательная:
углубить знания учащихся о структуре атома;
сформировать представление о радиоактивности, физической природе [pic] , [pic] , [pic] излучений.
Развивающая: способствовать формированию умения анализировать, сравнивать, обобщать факты, убежденности в знаниях в процессе применения полученных знаний в различных ситуациях при решении задач.
Воспитательная: продолжить формирование основ диалектико-материалистического мировоззрения учащихся.
Задачи урока:
Проследить историю открытия радиоактивности, её физическую сущность.
Знать процессы [pic] , [pic] распада и [pic] излучения.
Усвоить правила смещения.
Иметь представление о методах регистрации элементарных частиц.
Оборудование: презентация к уроку [link] , счетчик Гейгера, камера Вильсона.
Основное содержание: Ионизирующее и фотохимическое действие частиц как основа различных методов изучения. Принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц. Неустойчивое состояние системы. Счетчик Гейгера – Мюллера. Ударная ионизация. Частицы, регистрируемые счётчиком: электроны, и гамма-кванты. Камера Вильсона и принцип её действия. Трек. Информация о частицах. Пузырьковая камера. Перегретая жидкость. Принцип работы пузырьковой камеры. Преимущества пузырьковой камеры. Метод толстослойных фотоэмульсий. Ионизация атомов. Преимущества данного метода регистрации. Вклад отечественных учёных в этих создание приборов (П.Л. Капица, Д.В. Скобельцын, Л.В. Мысовский, Г.Б. Жданов).
Ход урока
Орг. момент.
Объяснение нового материала.
Историческая справка.
Сто лет назад, в феврале 1896 года, французский физик Анри Беккерель обнаружил самопроизвольное излучение солей урана 238U(слайд №3). 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.
Двумя годами позднее, супруги Пьер и Мария Кюри, доказали, что аналогичным свойством обладает химический элемент торий 232Th (слайд №4). Затем они же открыли новые, ранее неизвестные элементы – полоний 209Po и радий 226Ra.
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.
В 1903 году Эрнест Резерфорд проделав опыт, обнаружил три пятна, от испускаемых веществом трех лучей, которые отличаются друг от друга разной способностью проникать сквозь вещества. Их назвали [pic] , [pic] лучами и [pic] излучением (слайд №5).
Итак, сегодня на уроке нам предстоит познакомится с [pic] , [pic] лучами и [pic] излучением.
Сейчас предлагаю вам просмотреть медиа-лекцию и затем ответить на мои вопросы. (Физика 7-11, глава Атомная физика, урок №8).
После просмотра лекции, ребятам предлагаю ответить на следующие вопросы:
Что представляют собой [pic] лучи? ( [pic] -лучи – это поток частиц, представляющих собой ядра гелия.)
Что представляют собой [pic] лучи? ( [pic] лучи – это поток электронов, скорость которых близка к скорости света в вакууме.)
Что представляет собой [pic] излучение? ( [pic] излучение – это электромагнитное излучение, частота которого превышает частоты рентгеновского излучения.)
Что такое радиоактивность? (самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие называется естественной радиоактивностью.)
Превращение атомных ядер сопровождается испусканием [pic] , [pic] лучей, которое называется [pic] , [pic] распадом соответственно.
Эти два распада подчиняются правилам смещения, которые впервые сформулировал английский ученый Содди:
При [pic] распаде ядро теряет положительный заряд 2e и его масса убывает на 4 а.е.м. (слайд №6)
В результате [pic] распада элемент смещается на две клетки к началу периодической системы Менделеева:
[pic]
При [pic] распаде из ядра вылетает электрон, что увеличивает заряд ядра на 1. масса же остается почти неизменной. (слайд №7)
В результате [pic] распада элемент смещается на одну клетку к концу периодической таблицы Менделеева.
[pic]
[pic] излучение – не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало (слайд №8).
Далее на уроке мы рассматриваем несколько примеров [pic] и [pic] распадов, после чего, предлагается ребятам маленькая проверочная работа на 5-6 минут.
ВАРИАНТ 1.
1. Написать реакцию [pic] распада магния 22 12Mg .
2. Написать реакцию [pic] распада натрия 22 11Na .
-----------------------------------
ВАРИАНТ 2.
1. Написать реакцию α-распада урана 235 92U.
2. Написать реакцию β - распада плутония 239 94Pu .
-----------------------------------
ВАРИАНТ 3.
1. Написать реакцию [pic] распада радия 226 88Ra.
2. Написать реакцию [pic] распада свинца 209 82Pb.
-----------------------------------
ВАРИАНТ 4.
1. Написать реакцию [pic] распада серебра 107 47Аg.
2. Написать реакцию [pic] распада кюрия 247 96Cm .
------------------------------
ВАРИАНТ 5.
1. В результате какого радиоактивного распада натрий
22 11Na превращается в магний 22 11Mg?
2. В результате какого радиоактивного распада плутоний 23994Pu превращается в уран 235 92U?
После чего ребята сдают свои работы и мы вместе решаем один из вариантов.
В развитии знаний о “микромире”, в частности в изучении явлений радиоактивности, исключительную роль сыграли приборы, позволяющие регистрировать ничтожное действие одной-единственной частицы атомных размеров.
В настоящее время используется много различных методов регистрации заряженных частиц (слайд №9). В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводится, применяются следующие методы регистрации частиц:
1. Счетчик Гейгера. (слайд №10)
Действие основано на ударной ионизации.
Вспомним, что такое ионизация?
Какие причины вызывают ионизацию?
Заряженная частица, пролетающая в газе, открывает у атома электрон и создает ионы и электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергии, при которой начинается ударная ионизация.
Чтобы счетчик Гейгера мог регистрировать каждую попадающую в него частицу, надо своевременно прекращать лавинный разряд. Быстрое гашение разряда можно достичь примесями, добавленными к инертному газу. Положительные ионы газа, сталкиваясь с молекулами спирта, рекомбинируют в нейтральные атомы и теряют способность выбивать из катода электроны (самогасящиеся счетчики). В других счетчиках гашение разряда производят, подбирая определенное нагрузочное сопротивление с цепи счетчика: R = 109 Ом. Ток, возникающий при самостоятельном разряде, проходя через резистор, вызывает на нем большое падение напряжения, что приводит к быстрому уменьшению напряжения между анодом и катодом: лавинный разряд прекращается.
На электродах восстанавливается начальное напряжение, и счетчик готов к регистрации следующей частицы. Скорость счета равна 104 частиц в секунду.
Продемонстрировать работу счетчика Гейгера.
Обратить внимание на то, что этим методом можно лишь зарегистрировать частицу, а увидеть след частицы невозможно.
2. Камера Вильсона. (слайд №11)
Действие камеры Вильсона основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капель воды. Если в геометрическом сосуде с парами воды или спирта происходит резкое расширение газа (адиабатный процесс), температура убывает. И если в этот момент через объем камеры пролетает заряженная частица, то на своем пути она создает ионы, на которых образуются капельки сконденсировавшегося пара. Таким образом, частица составляет за собой след (трек) в виде узкой полоски тумана. Этот трек можно наблюдать или сфотографировать. По треку можно определить энергию и скорость частицы. Если поместить камеру в магнитное поле, то по искривлению трека можно определить знак заряда и его энергию, а по толщине трека - величину заряда и массу частицы.
Показать работу камеры Вильсона.
В чем преимущество этого метода перед счетчиком Гейгера?
3. Пузырьковая камера. (слайд №12)
В 1952 г. Д. Глейзером для регистрации заряженных частиц, имеющих высокую энергию, была создана пузырьковая камера. Принцип действия ее основан на том, что в перегретом состоянии чиста жидкость, находясь под высоким давлением, не закипает при температуре выше точки кипения. Пузырьковая камера заполнена жидким водородом под высоким давлением. При резком уменьшении давления переводят жидкость в перегретое состояние. Если в это время в рабочий объем камеры попадает заряженная частица, то она образует на своем пути в жидкости цепочку ионов. В области пролета частицы жидкость закипает, появляются вдоль ее траектории мелкие пузырьки пара, которые являются треком этой частицы.
Преимущество перед камерой Вильсона: пузырьковая камера может регистрировать частицы с большей энергией, т.к. большая плотность рабочего вещества в пузырьковой камере. Кроме того, по сравнению с камерой Вильсона пузырьковая камера обладает быстродействием. Рабочий цикл равен 0,1 с.
4. Метод толстослойных фотоэмульсий. (слайд №13)
Этот метод был разработан в 1928 г. физиками А.П. Ждановым и Л.В. Мысовским. Его сущность заключается в использовании специальных фотоэмульсий для регистрации заряженных частиц. Пролетающая сквозь фотоэмульсию быстрая заряженная частица действует на зерна бромистого серебра и образует скрытое изображение. При проявлении фотопластинки образуется трек. После исследования трека оценивается энергия и масса заряженной частицы.
Преимущество метода: с его помощью получают не исчезающие со временем следы частиц, которые могут быть тщательно изучены.
Сегодня широкое применение нашли полупроводниковые детекторы, регистрирующие α -, β- частицы и γ – излучения.
3. Домашнее задание: §99, 101, по §98 и используя свои знания, заполнить таблицу по методам регистрации элементарных частиц. (слайд №14)
