Термоядерные реакции. Энергия Солнца и Звезд. Изотопы и их применение.

Урок-конференция по физике

учитель физики Нейштетер М.Р.


Тема урока: Термоядерные реакции. Энергия Солнца и Звезд. Изотопы и их применение.


Цели урока: 
Цель: Используя знания по физике и биологии, проанализировать проблемы

ядерной энергетики и сделать вывод о целесообразности её развития.

Задачи: 1. Повторить знания о физико-химических и технических основах

ядерной энергетики.

2. Закрепить знания об экологических проблемах энергетики, о

влиянии радиации на живые организмы, о влиянии деятельности

человека на окружающую среду и рациональном

природопользовании.

3. Познакомить учащихся с вопросами истории науки, с работами

отечественных ученых в области ядерной энергетики.

Программный материал: Физика – тема «Атомная и ядерная физика»,

Биология – темы «Биосфера и человек»,

«Наследственная изменчивость».

Место проведения: кабинет №47.

Оборудование:

1. Мультимедийный проектор;

2. Экран;

3. Таблицы,

4. Этикетки с названиями рабочих групп;

5. Опорный конспект.

Педагогические технологии: развивающее обучение в форме ролевой игры

с использованием проблемно-поискового и

творческого метода, проектной деятельности в

системе малых групп, сочетающее обучающие

и воспитательные моменты, гуманистические

и технократические идеи.

и компьютера. литературой по заданной теме.Учитель консультирует и помогае

Организация ролевой игры: из числа учащихся выбираются ученики на

следующие роли: председатель конференции, физики ядерщики, физики теоретики, эксперт в области физики, биологи, медики, химики, представитель Гринпис, журналисты, радиобиологи, врачи-онкологи, экологи. Остальные ученики по желанию формируют три рабочие группы; физиков-химиков, биологов-медиков, биологов-экологов, которые за месяц до урока получают задание по работе с учебниками и дополнительной литературой по заданной теме. Учитель консультирует и помогает в подготовке сообщения группы с использованием ТСО и компьютера.

Сценарий пресс-конференции

Председатель. Уважаемые участники пресс-конференции! Мы сегодня собрались с целью обсуждения вопросов, посвящённых термоядерным реакциям, как действует радиация на человека и окружающую среду, а также узнаем где применяются радиоизотопы и с какой целью, поэтому тема пресс-конференции звучит так: «Ядерные и термоядерные реакции благо или вред». Проблема связанная термоядерной энергией, безопасности человека и окружающей среды сложна и многогранна, ведь каждый день во все мире возрастает тревога за экологическое состояние окружающего нас пространства.

В конференции принимают участие: физики- ядерщики, эксперты в области физики, представитель комитета охраны окружающей среды и природных ресурсов, корреспонденты журналов «Наука и жизнь», «Экология», гринписовцы, биологи, учёные-физики; военные; биологи и медики, творческая интеллигенция.

А вначале нашей дискуссии хочу слово предоставить физику ядерщику, сотруднику академии РАН………….

(Иван З.) Физик ядерщик .Одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством является проблема источников энергии. Потребление энергии растет столь быстро, что известные нам источники топлива могут оказаться исчерпанными в короткие сроки. Я считаю нужно использовать атомную энергию. А почему я сейчас вам напомню

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ - превращения атомных ядер при взаимодействии с др. ядрами, элементарными частицами или квантами.
Ядерные реакции осуществляют под действием налетающих, или бомбардирующих, частиц, которыми облучают более тяжелые ядра. Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом, в 1919 г.

В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана.

Энергия, которая выделяется при полном делении 1 кг урана = энергии, которая выделяется при полном сгорании 3000 т угля.

Так как при ядерных реакция происходит большое выделения энергия, я считаю необходимостью использования этих ресурсов.

(Настя К.) Журналист газеты «наука и жизнь» : уважаемые физик-ядерщик, но вы наверно забыли к чему привело ядерное оружие в 1945 году в Японии.

Количество погибших от непосредственного воздействия взрыва составило от 70 до 80 тысяч человек. К концу 1945 года, в связи с действием радиоактивного заражения и других пост-эффектов взрыва, общее количество погибших составило от 90 до 166 тысяч человек. По истечении 5 лет, общее количество погибших достигло 200 000 человек. Давайте посмотрим документальный фильм и увидим как все происходило. (Просмотр видео).

Это только в Хирасиме, а в Нагасаки количество погибших составило от 60 до 80 тысяч человек. По истечении 5 лет, общее количество погибших, с учётом умерших от рака и других долгосрочных воздействий взрыва, могло достичь или даже превысить 160 000 человек.

А кто это сделал??? Это же пострадали невинные люди, которые просто жили, ходили на работу, водили детей в школу и сад, смеялись улыбались и не думали что это конец их жизни ………..

Разве так мы хотели использовать ядерную энергию???

(Никита А.) Специалист в области физики: да конечно, я понимаю вас.( представляется) Многие готовы отказаться от развития атомной энергетики только потому, что живут сегодняшним днем, не думая о будущем. Но какую энергию будет использовать человек, когда иссякнут запасы твердого топлива, нефти и газа? А ведь они не безграничны. Кроме того, обычное топливо, сгорая, очень сильно загрязняет воздух и нарушает экологию Земли. Необходимо задуматься еще и над тем, что, развиваясь технически, наша цивилизация требует все больше и больше энергии, и решить эту проблему помогает атомная энергетика. Ею только надо разумно и крайне осторожно пользоваться.

По этому поводу очень хорошо сказал российский физик и общественный деятель САХАРОВ Андрей Дмитриевич

Да, пора эйфории безвозвратно ушла.

На науке лежит преступленье,

Но к ученым, повинным в создании зла,

Постепенно приходит прозренье. А. Д. Сахаров

(Алина Ю.) Медик Давайте вспомним аварию в Чернобыле и какие последствие она принесла.

В ночь с 25-го на 26 апреля 1986 года, на атомной электростанции, расположенной недалеко от города Чернобыль, в 130 км от столицы Украины Киева, произошла одна из крупнейших в мире промышленных аварий. Ядерный реактор четвертого энергоблока атомной станции вышел из-под контроля, взорвался и загорелся. Очевидцы рассказывали, что примерно в 1 час 24 минуты в ночь на 26 апреля раздались два взрыва. Над крышей четвертого энергоблока взлетели горящие куски графита, искры. Часть из них упала на крышу машинного зала и вызвала пожар здания. В результате пожара огромное количество смертоносных радиоактивных веществ, находившихся в реакторе, попало в окружающую среду. Они были разнесены ветрами на многие сотни тысяч километров от Чернобыля. Там, где радиоактивные вещества попадали на поверхность земли, образовывались зоны радиоактивного заражения.

Больше всего пострадали территории Белоруссии, Украины и России, так как Чернобыльская атомная электростанция находилась недалеко от места пересечения границ трех стран. По данным наблюдений, 29 апреля 1986 года высокий радиационный фон был зарегистрирован в Польше, Германии, Австрии, Румынии, 30 апреля — в Швейцарии и Северной Италии, 1-2 мая — во Франции, Бельгии, Нидерландах, Великобритании, Северной Греции, 3 мая — в Израиле, Кувейте, Турции...

Опасность Чернобыльского выброса состоит в том, что в его составе присутствовали как радиоактивные элементы, легко проникающие в организм и вызывающие внутреннее облучение (йод, стронций, цезий), так и сверхдолгоживущие элементы (уран, плутоний), которые будут представлять опасность в течение десятков тысяч лет.

Радиоактивные изотопы могут быть очень опасны для человека. Даже в небольших количествах радиоактивные элементы представляют опасность для жизни. Радиация может повредить генетическую структуру. Посмотрим, в каких частях тела, и какие радиоактивные изотопы накапливаются.

В легких: криптон 85, радий 222, уран, плутоний; в щитовидной железе: иод 131;в печени: кобальт 60, в мышцах: цезий 137, калий 40; в костях: углерод 14, фосфор 32, радий 226, стронций 90.

Очень важное свойство всех радиоактивных изотопов – их устойчивость, которая выражается в так называемом периоде полураспада. Период полураспада – это время, необходимое для распада половины исходного количества атомов радиоактивного вещества. Период полураспада может составлять от долей секунды до нескольких миллиардов лет. Например, радий 226, имеет период полураспада 1620 лет. Это значит, что по прошествии 1620 лет останется только половина исходного количества атомов.

Особую опасность представлял радиоактивный йод-131. Он легко попадает в организм при дыхании и через кожу. Это приводит к внутреннему облучению, которое может вызвать рак щитовидной железы и другие страшные последствия. Поступление радиоактивного йода в организм можно было существенно сократить, вовремя проведя йодопрофилактику. Прием препаратов обычного, не радиоактивного йода препятствует попаданию в организм йода радиоактивного.

Все слова под видео

(Иван З.) Слово физику - ядерщику . Я хочу предложить использовать не ядерные реакции, а термоядерные реакции. Так эти реакции экологически чистые и в природе широко распространен источник их энергии. Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Слова «дейтерий» и «тритий», это изотопы водорода напоминают нам о том, что сегодня человек располагает мощнейшим источником энергии, высвобождающейся при реакции:

²₁Н + ³₁Н → ⁴₂Не +¹₀n + 17,6 МэВ.

Эта реакция начинается при 10 млн градусов и протекает за ничтожные доли секунды при взрыве термоядерной бомбы, причем выделяется гигантское по масштабам Земли количество энергии.

Водород широко распространен в природе — содержится в воде, во всех органических соединениях, в свободном виде — в некоторых природных газах. Содержание его в земной коре достигает 0,15% ее массы (с учетом гидросферы — 1%). Водород составляет половину массы Солнца.

Каждую секунду Солнце излучает в космическое пространство энергию, эквивалентную примерно 4 млн т массы. Эта энергия рождается в ходе слияния четырех ядер водорода, протонов, в ядро гелия; реакция идет в несколько стадий, а ее суммарный результат записывается вот таким уравнением:

4¹₁Н⁺ → ⁴₂Не²⁺ + 2е⁺ + 26,7 МэВ.

Просмотр фильма про солнце

(Настя К.) Журналист « Наука и жизнь»: а удалось осуществить термоядерную реакцию на земле?

(Иван З) Физики – ядерщик : На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы. (А.Д.Сахаров)

Для того, чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны попасть в сферу действия ядерных сил (сблизиться на расстояние 10^-14 м), преодолев силу электростатического отталкивания. Это возможно при большой кинетической энергии ядер. Для этого вещество должно иметь температуру 10⁷ К.

Поэтому реакция названа «термоядерной»(от лат. therme-тепло).

Впервые термоядерная реакция в земных условиях была осуществлена в Казахстане в начале 1950 г. При взрыве водородной бомбы на Семипалатинском полигоне. Необходимая температура была достигнута упреждающим взрывом атомной бомбы.

Просмотр фильма

В настоящее время уже удалось получить энергию термоядерного синтеза:

- это термоядерная или водородная бомба, где проходит неуправляемая термоядерная реакция, имеющая взрывной характер;
- это экспериментальные термоядерные установки ТОКАМАК (созданы в СССР) - тороидальные камеры с магнитными катушками, где идет управляемая термоядерная реакция.

Преимущества использования термоядерного синтеза для получения энергии

- энергия, выделившаяся на один нуклон в результате термоядерной реакции, значительно превышает энергию, выделившуюся на один нуклон в результате деления ядер урана;

- топливом для термоядерных установок является тяжелый водород (нерадиоактивный изотоп водорода), а его много в морской воде;
- нет опасного радиоактивного излучения, и в процессе реакции не будет радиоактивных отходов.

Проблемы использования термоядерного синтеза:

-утечка трития (одного из изотопов водорода, участвующего в реакции)
- радиация нейтронами.

(Настя К.) Журналист « Наука и жизнь»: а возможно брать топливо с других планет, если на нашей планете закончится???

(Данил Г.) Представитель грин-пис: я еще хочу добавить, представлюсь гринписовиц…… . Несмотря на то, что это неисчерпаемый источник энергии, компактный, бездымный, он тоже дает отходы. получается чтоб взорвать термоядерную бомбу, нужно все равно взорвать урановую или плутоновую бомбу. При этом радиоактивными становятся детали и отработавшие тепловыделяющие элементы. Просто так их выбросить нельзя, приходится хранить в специальных контейнерах, сделанных из свинца, и опускать глубоко в землю в специальные шахты, чтобы не дать возможности излучениям вырваться наружу. А это все дорого. Иначе обезвредить отхода мы пока не можем. Вот и получается: тот выигрыш, который мы получаем при использовании ядерной энергии, перекрывается проигрышем, связанным с захоронением отходов. И далее, взрыв реактора на АЭС – грозная опасность для жизни на Земле. А если таких взрывов будет несколько, на нашей планете может наступить ядерная зима. Человек не сможет выжить, он погубит и себя, и Землю!

(Настя К.) Журналист « Наука и жизнь»: куда же девают все отходы?

(Данил Д.) Эколог: Ядерная энергия играет исключительную роль в современном мире: ядерное оружие оказывает влияние на политику, оно нависло угрозой над всем, живущим на Земле. А пока человечество стремится утолить свои непрерывно растущие потребности в энергии путем беспредельного развития ядерной энергетики, радиоактивные отходы загрязняют нашу планету. Отходы упаковывались в контейнеры и сбрасывались в Мировой океан. Проекция «Контейнер с радиоактивным вещество»

Только США таким образом произвели захоронение в 11 точках Тихого океана. Япония –в 6. Такие захоронения делали Англия, Бельгия, Нидерланды и СССР. Опускались контейнеры со смертоносным грузом в Бискайский залив, в северные моря, на дно Атлантики.

(Сережа С.) Биолог 1.
Биологическое действие радиоактивных излучений было установлено не сразу. Беккерель, открывший радиоактивность в 1896 году даже не подозревал о биологическом действии этого вида излучений. В 1898 году Мария Складовская – Кюри и Пьер Кюри открыли радий и Беккерель взял несколько миллиграмм в стеклянную пробирку для исследования, положив в нагрудный карман. Через некоторое время на теле напротив кармана образовалась болезненная незаживающая язва. Он был вынужден обратиться к врачу, язву залечили, но через некоторое время она открылась вновь.

У всех ученых, работавших с радиоактивными элементами, руки были покрыты незаживающими язвами.

Прежде чем было установлено биологическое действие проникающего излучения, наука понесла невосполнимые утраты. От лучевой болезни умирают Мария и Пьер Кюри, Ирен и Фредерик Кюри и В. Курчатов.

На сегодняшний день наука установила достаточно фактов в этой области. Но до конца механизм воздействия проникающего излучения на клетку не установлен.

Воздействие излучения на живые организмы характеризуется дозой излучения. Естественный фон радиации (космические лучи, радиоактивное окружение среды) составляют за год 2*10^-3 Гр на человека ( 1 Гр=1Дж/кг). Доза излучения 3-10 Гр, полученная за короткое время смертельна.

Биолог 2: коллега я бы хотел добавить, что радиоактивные излучения : самая главная опасность атомной энергетики, существующая на всех этапах топливного цикла и работы А Э С. Радиоактивные излучения оказывают пагубное воздействие на все живые организмы.

Механизм биологического действия радиоактивного излучения сложен и до конца не изучен.

Ионизация и возбуждение атомов и молекул живых тканей, происходящие при поглощении последними, излучений лишь начальный этап в сложной цепи биохимических превращений. Установлено, что ионизация приводит к разрыву молекулярных связей, изменению структуры химических соединений и, в конечном счете, к разрушению нуклеиновых кислот и белка. Под действием радиации поражаются клетки тканей, прежде всего их ядра. Нарушаются способность клеток к делению и обмену веществ и них. Наиболее чувствительны к радиационному воздействию кроветворные органы (костный мозг, селезенка, лимфатические железы), эпителии слизистых оболочек (кишечника), щитовидная железа. В результате действия радиоактивных излучений на органы человека возникают тяжелейшие заболевания: лучевая болезнь, злокачественные опухоли, приводящие нередко к смертельному исходу. Облучение оказывает сильное влияние на генетический аппарат, приводя к появлению потомства с уродливыми отклонениями или врожденными тяжелыми заболеваниями организма.

Степень биологического воздействия радиации зависит от вида излучения, его интенсивности и продолжительности облучения организма.

Специфической особенностью радиоактивного излучения является то, что они не воспринимаются органами чувств человека и даже при смертельных дозах не вызывают болевых ощущений в момент облучения.

(Настя К.) Вопрос журналиста« Наука и жизнь»:

Все мы прекрасно знаем о действиях радиации на живой организм, знаем об опасности, которая таится внутри атома, но вопрос: всегда ли радиоактивные элементы приносят вред человечеству? Каковы полезные свойства этих элементов? Как мы можем использовать их в мирных целях?

(Алина Ю.) Медик

Применение радиоактивных изотопов это же конечно медицина!!!

Медицина – лечение рака, йодирование, исследование органов с помощью меченных атомов.

«Меченые атомы»- это радиоактивные изотопы, которые легко можно обнаружить по их альфа, бета и гамма излучению.

• Вы уже слышали, что радиоактивное облучение ведет к лучевой болезни. Пострадавшим от лучевого поражения был назначен специальный курс лечения.
  
  Суть его зависела от того, какие именно органы больше всего пострадали. Например, при поражении кроветворных клеток спинного мозга больным делали пересадку, возмещая потери здоровыми клетками, взятыми у доноров.
  
  Назначаются также специальные лекарства, которые ускоряют изгнание радиоактивных веществ из организма. На то время пока организм находится под их влиянием, имеет смысл каким-то образом ускорить восстановление, рекомбинацию атомов. 
  В медицинской промышленности такие изделия, как хирургические перчатки, шприцы и многие другие стерилизуются с помощью радиации. Использование облученных стерильных изделий снизило опасность передачи инфекции в больницах и клиниках.

• С помощью определенных доз радиации проводится диагностика заболеваний или лечение пациентов. Одно из наиболее важных новых результатов ядерной медицины в диагностике – получение функциональных карт различных органов, несущих большую информацию, чем рентгеновские снимки.

• Облучение радиацией высокого уровня при раковых заболеваниях дает великолепные результаты и, безусловно, является одним из важнейших методов лечения этого недуга. Таким образом, облучение представляется как источником раковых заболеваний, так и способом их лечения.

• 
  (Артем К.) Директор АГРОСЕЛЬХОЗ

• - контроль износа поршневых двигателей внутреннего сгорания, диффузия металлов, удобрение сельскохозяйственной продукции, борьба с вредителями. Вполне обычными стали ядерные методы контроля в промышленности: радиационные индикаторы толщины, плотности, влажности и других параметров используются в настоящее время для контроля многих технологических процессов. Регулирование с помощью СЯФК (системы ядерно-физического контроля), например, толщины и влажности бумаги позволяет без ущерба для качества уменьшить ее среднюю толщину и увеличить среднее содержание влаги в ней. Первое ведет к экономии материала, а второе – к экономии энергии, расходуемой на сушку бумаги, т.е. снижается воздействие производства на окружающую среду, что уже само по себе является неплохим результатом ядерной технологии.

• В сельском хозяйстве ядерные методы применяются уже давно. Например, гамма или нейтронное излучение используется для индуцирования мутаций в семенах и получения новых сортов с целью повышения урожайности или устойчивости к болезням сельскохозяйственных культур. Если таким методом было выведено 15 сортов, то сейчас около 2000. Например, 60 % твердой пшеницы, выращиваемой в Италии для выпуска макаронных изделий, приходится на долю сорта, выведенного методом гамма – индуцированных мутаций.

• Не менее важно применение в сельском хозяйстве радиоизотопов для определения наилучшего способа внесения удобрений. Так, с помощью изотопа азота выяснилось, что при возделывании риса возможно уменьшение нормы внесения азотных удобрений (до 50 % от принятых ранее). Это не только экономит средства, но и сохраняет окружающую среду, поскольку избытки азотных удобрений попадают в грунтовые воды, реки и озера, порождая экологические проблемы.

археолог

Археология – определение возраста археологических находок (мумии, мамонты, динозавры и т.д).

Радиоуглеро́дный ана́лиз — разновидность радиоизотопной датировки, применяемая для определения возраста биологических останков, предметов и материалов биологического происхождения путём измерения содержания в материале радиоактивного изотопа 14-C по отношению к стабильным изотопам углерода. Предложен Уиллардом Либби в 1946 году (Нобелевская премия по химии, 1960).

Все растения, животные и люди содержат немного радиоизотопного углерода 14. В живых объектах его количество остается неизменным, поскольку углерод постоянно используется и замещается новыми. Однако после смерти организма содержание углерода -14 постепенно падает, так как его восполнение уже не происходит. Предметы из археологических раскопок, например кости, кожа или бивни мамонта можно датировать по содержанию в них углерода-14, так как известен период полураспада углерода-14.

Заключительное слово председателя.

Долгое время ядерная энергия была скрыта от человека. Но человек любопытен! Ему всегда нужно знать то, что пока неизвестно. Всегда нужно больше, чем у него есть. И он неустанно ищет новое, ищет всюду!

Если использовать ядерную энергию разумно и осторожно, то с ее помощью можно решить энергетические проблемы Земли: заменить традиционное топливо принципиально новым – компактным, бездымным и, что особенно важно, практически неисчерпаемым.

К сожалению, силы, заключенные в ядре, сначала были обращены во зло, а лишь затем – во благо. Это научило людей сдержанно относиться к возможностям ядерной энергии. После трагедии Хиросимы и Нагасаки миллионы людей осознали чудовищную силу атомного излучения, и наступил своего рода шок. А когда весь мир потрясла катастрофа на Чернобыльской АЭС, равнодушных уже не было, атомная энергетика приобрела яростных противников. Все это и сейчас мешает видеть в атомной энергии, которая освоена и служит нам много лет, благотворную силу.

А. Эйнштейн сказал: «Обнаруженная сила урана угрожает цивилизации и людям не больше, чем когда мы зажигаем спичку. Дальнейшее развитие человечества зависит не от уровня технических достижений, а от его моральных принципов».

Вывод:

Использование ядерной энергии имеет как положительные, так и отрицательные результаты. Увидев, положительное, в применении ядерной энергии, человек начал ее пропагандировать, потерял бдительность и не до конца отработал системы контроля и безопасности. Но когда случилась беда (по вине самого человека), он бросился в другую крайность: потребовал запретить ядерную энергии, прекратить ее использование. Это не выход. Человек должен всегда помнить, что, вторгаясь в тайны природы, нельзя нарушать ее законы. Кроме того, в своих действиях нужно руководствоваться правилом «Не навреди!», быть осмотрительным, внимательным, просчитывать последствия на несколько ходов вперед. А главное – всегда помнить о других людях, ценности жизни, уникальности нашей планеты.