Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.

11 класс

Тема урока: Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.

Тип урока: урок изучения нового материала

Цели урока: ввести и закрепить понятия радиоактивности, альфа-, бета-, гамма-излучения и периода полураспада; изучить правило смещения и закон радиоактивного распада.

Задачи урока:

а) образовательные задачи - объяснить и закрепить новый материал, познакомить с историей открытия явления радиоактивности;

б) развивающие задачи - активизировать мыслительную деятельность учащихся на уроке, реализовать успешное овладение новым материалом, развивать речь, умение делать выводы;

в) воспитательные задачи - заинтересовать и увлечь темой урока, создать личную ситуацию успеха, вести коллективный поиск по сбору материала о радиации, создать условия для развития у школьников умения структурировать информацию.

Ход урока

1. Организационный момент

Учитель:

У природы много тайн и загадок, раскрывает она их не охотно, поэтому каждая очередная разгадка – важный шаг человечества на пути к познанию мира. (Слайд 1)
Вот и вам сегодня предлагается приоткрыть занавес тайны одного из физических явлений!

- Ребята, предлагаю вам выполнить следующее задание. Найдите в списке слова, обозначающие явления: Испарение, атом, протон, электризация, нейтрон, проводник, напряжённость, электричество, электроскоп, заземление, поле, преломление, линза, сопротивление, напряжение, амперметр, заряд, самоиндукция, освещение, радиоактивность, магнит, генератор, телеграф, инерция, намагничивание (Слайд 2)

- Дайте определения этим явлениям. Для какого явления мы ещё не можем дать определение?

- Правильно, для радиоактивности.
- Ребята, именно с тайнами радиоактивности мы сегодня с вами и познакомимся.

(Слайд 3)

1. Изучение нового материала

Учитель:

Вильгельм Рентген изучал электрический разряд в вакуумной трубке и открыл загадочные и невидимые Х-лучи.

-Вспомните, какими свойствами обладают эти лучи?

Учащиеся:

-Излучение рентгеновских лучей сопровождалось свечением веществ! Они были способны проходить через различные предметы, засвечивать фотопластинку.(Слайд 4)

Учитель:

-Очень сильным потрясением для ученого стало то, что даже настоящая материя не была преградой для этих лучей. Не была ясна природа этих лучей. И вообще, существуют ли другие источники подобного излучения?

- В 1896 году французский ученый Анри Беккерель предположил, что Х-лучи испускаются люминофорами под действием солнечного света. Он начинает ставить опыты с таким из одних веществ: солью урана. Предварительно выдержав её на солнце, Беккерель кладет её на фотопластинку, завернутую в светонепроницаемую бумагу. После проявки пластинка оказалась засвеченной, она почернела там, где лежала урановая соль. В следующий раз из-за облачной погоды Беккерель убрал пластинку в стол, положив на неё медный крест, покрытый солью урана. Проявив пластинку через 2 дня, было обнаружено почернение в форме отчетливой тени креста.

-Как вы думаете, к какому выводу пришел Беккерель после такого результата своего опыта?

Учащиеся:

-Соли урана сохраняют эту способность и без солнца. Значит, это не оно возбуждает загадочное излучение.

Учитель:

-Совершенно верно. Соли урана, самопроизвольно и постоянно, без каких –либо внешних факторов, создавали какое-то излучение, которое пронизывает непрозрачные тела и действует на фотопластинку. (Слайд 5-11))

Изучением этого загадочного излучения посвятили свою жизнь Пьер и Мария Кюри. (Слайд 12). Свои первые опыты они проводили в кладовке школы, где работал Пьер. У них не было денег, персонала, помещения. Был изнуряющий труд, невероятная усталость. Два года напряженной работы и лучи Беккереля были обнаружены не только у урана, но и у тория. В этом же 1898 году Мария Кюри вместе со своим мужем получила из руд, содержащих уран и торий, неизвестный раннее химический элемент, который был назван полонием, а следом был открыт и радий. (Слайд 13)

-Самопроизвольное излучение некоторых химических элементов было названо радиоактивностью, от латинского radio «излучать». (Слайд 14)

- Химические элементы с номера 83 являются радиоактивными, то есть самопроизвольно излучают, причем, степень излучения не зависит от того, в состав какого соединения они входят. (Слайд 14)

- Изучением природы радиоактивного излучения занимался великий физик начала 20 века Эрнест Резерфорд. Опыты в магнитном поле позволили обнаружить, что лучи Беккереля по своему составу сложнее рентгеновских.

- Что же представляет из себя радиоактивное излучение? Предлагаю вам самостоятельную работу с текстом: прочитать параграф 99.

- Ребята, ответьте на вопросы:

1. Что представляет собой радиоактивное излучение? (состоит из трех компонентов: альфа-, бета-, и гамма- лучей)
2. Что представляют собой α-лучи? (α-лучи – это поток частиц, представляющих собой ядра гелия.) 
3. Что представляют собой β-лучи? (β-лучи – это поток электронов, скорость которых близка к скорости света в вакууме.)
4. Что представляет собой γ-излучение? (γ-излучение – это электромагнитное излучение, частота которого превышает частоты рентгеновского излучения.)

Учитель:

- В 1899 г Эрнест Резерфорд обнаружил неоднородность излучения. Исследуя излучение радия в магнитном поле, он обнаружил, что поток радиоактивного излучения имеет сложную структуру: состоит из трех самостоятельных потоков, названных α-, β- и γ-лучами. При дальнейших исследованиях оказалось, что α-лучи представляют из себя потоки ядер атомов гелия, β-лучи – потоки быстрых электронов, а γ-лучи есть электромагнитные волны с малой длиной волны.

- Но эти потоки различались еще и своими проникающими способностями.

(Слайды 15-22)

-Что же происходит с веществом при радиоактивном излучении? В 1902 году Резерфорд и его сотрудник Содди, проведя опыты с торием, указывают на то, что вещество должно испытывать какие-то изменения. Превращения должны испытывать сами атомы и сопровождаться превращением атомов одного химического элемента в атомы другого химического элемента с испусканием различных частиц.

Например, радий превращался в радон, отличающийся от исходного вещества и физическими, и химическими свойствами

(Слайд 23)

- Превращение атомных ядер часто сопровождается испусканием α-, β-лучей. Если одним из продуктов радиоактивного превращения является ядро атома гелия, то такую реакцию называют α-распадом, если же – электрон, то β-распадом.

Эти два распада подчиняются правилам смещения, которые впервые сформулировал английский ученый Ф.Содди. Давайте посмотрим, как выглядят эти реакции.

1. При α-распаде ядро теряет положительный заряд 2e и его масса убывает на 4 а.е.м. В результате α-распада элемент смещается на две клетки к началу периодической системы Менделеева:

(Слайд 24-27)

2. При β-распаде из ядра вылетает электрон, что увеличивает заряд ядра на 1е, масса же остается почти неизменной. В результате β-распада элемент смещается на одну клетку к концу периодической таблицы Менделеева.

(Слайд 28-32)

3. Кроме альфа- и бета-распадов радиоактивность сопровождается гамма-излучением. При этом из ядра вылетает фотон.

γ-излучение – не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало. (Слайд 33-34)

Первичный контроль

ВАРИАНТ 1.

1. Написать реакцию распада магния ²² ₁₂Mg .

2. Написать реакцию распада натрия ²² ₁₁Na .

-----------------------------------

ВАРИАНТ 2.

1. Написать реакцию распада урана ²³⁵ ₉₂U.

2. Написать реакцию распада плутония ²³⁹ ₉₄Pu .

-----------------------------------

ВАРИАНТ 3.

1. Написать реакцию распада радия ²²⁶ ₈₈Ra.

2. Написать реакцию распада свинца ²⁰⁹ ₈₂Pb.

-----------------------------------

ВАРИАНТ 4.

1. Написать реакцию распада серебра ¹⁰⁷ ₄₇Аg.

2. Написать реакцию 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?

Закон радиоактивного распада носит статистический характер. Вывод формулы закона N₀=N2^{- t/Т}, N₀- исходное число ядер, N- число не распавшихся ядер, t- время распада,T- период полураспада. Разбор графика активности распада ȵ=N₀-N/N₀.

Решение задач из Рымкевича 1232,1233.

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 . В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводится, применяются следующие методы регистрации частиц:

1. Счетчик Гейгера. (дем. слайдов)

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. Так, возникающий при самостоятельно разряде, прохода 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.

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.

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.

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 ?-, ?-частицы и ?-излучения

4. Подведение итогов

5. Домашнее задание: параграф

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.

Излучение рентгеновских лучей сопровождается свечением веществ (флуоресценцией)

1896 год французский физик А. Беккерель

Соли урана испускают неизвестное излучение, способное проникать через непрозрачные для света преграды и вызывать почернение фотоэмульсии .

Внешние факторы не оказывают

влияние на излучение

Внешние факторы не оказывают

влияние на излучение

Внешние факторы не оказывают

влияние на излучение

Внешние факторы не оказывают

влияние на излучение

Супруги Мария и Пьер Кюри

1898 год

Обнаружено аналогичное свойство тория.

Мария Склодовская – Кюри и Пьер Кюри открыли

радий и полоний.

Радиоактивность

• Явление самопроизвольного излучения атомных ядер называется естественной радиоактивностью.
• Все элементы с порядковым номером после №83 – радиоактивны.

Исследованием природы радиоактивных излучений занимались многие физики, в том числе Э. Резерфорд и его ученик Ф. Содди.

Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные, и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γ-излучениями.

Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений. К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка, – магнитное поле.

γ-излучение – это

электромагнитные волны

•  -излучение фотона связано с переходом ядра из возбужденного состояния с высоким уровнем энергии на более низкий уровень.
•  -излучение может сопровождать  и  - распады.
•  -излучение не вызывает изменения заряда, а масса ядра изменяется на очень малую величину.

Свойства радиоактивных излучений, альфа – лучи

• Это поток ядер гелия
• m=4 а.е.м.
• q =2е
• v =10000000 м/с
• Магнитным полем отклоняется слабо
• Проникающая способность слабая, защита – слой бумаги толщиной 0,1 мм

Свойства радиоактивных излучений, бета – лучи

• Поток быстрых электронов
• V =0,99 с
• Магнитным полем отклоняются сильнее, чем альфа – лучи
• Бета – частица имеет разную скорость, т.к. пучок бета – частиц в магнитном поле расширяется
• Проникающая способность больше, чем у альфа – лучей
• Защита – алюминиевая пластинка толщиной в несколько мм

Свойства радиоактивных излучений, гамма – лучи

• Это ЭМВ с малой длиной волны, не имеют заряда
• V= C
• Способны к дифракции
• Большая проникающая способность, проходят сквозь слой свинца толщиной в 1 см
• Защита - свинец

Физические свойства

Химический элемент

металл

радий

Масса ядра

газ

Заряд ядра

226

радон

Число электронов

88е

222

88

86е

86

Альфа-распад.

При этом образуется одна α-частица, и из одного химического элемента образуется другой, расположенный на две клетки левее в Периодической системе Менделеева:

Пример альфа - распада

Бета-распад

• При этом образуется один электрон, и из одного химического элемента образуется другой, расположенный на клетку правее:

Бета-распад

Внутри ядер электроны существовать не могут , они возникают при β-распаде в результате превращения нейтрона в протон. Среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 15 минут. При распаде нейтрон превращается в протон и электрон

Пример бета - распада

При испускании ядрами атомов нейтральных γ-квантов ядерных превращений не происходит. Испущенный γ-квант уносит избыточную энергию возбужденного ядра.

• ВАРИАНТ 1 .
• 1. Написать реакцию α распада магния 22 12 Mg .
• 2. Написать реакцию β распада натрия 22 11 Na .
• -----------------------------------
• ВАРИАНТ 2.
• 1. Написать реакцию α распада урана 235 92 U.
• 2. Написать реакцию β распада плутония 239 94 Pu .
• -----------------------------------
• ВАРИАНТ 3.
• 1. Написать реакцию α распада радия 226 88 Ra.
• 2. Написать реакцию β распада свинца 209 82 Pb.
• -----------------------------------
• ВАРИАНТ 4.
• 1. Написать реакцию α распада серебра 107 47 Аg.
• 2. Написать реакцию β распада кюрия 247 96 Cm .
• ------------------------------
• ВАРИАНТ 5.
• 1. В результате какого радиоактивного распада натрий
• 22 11 Na превращается в магний 22 11 Mg?
• 2. В результате какого радиоактивного распада плутоний 239 94 Pu превращается в уран 235 92 U?

Закон радиоактивного распада

Период полураспада

2/22/19

Сам закон радиоактивного распада прост

N=N 0 2 -t/ Т ,

представить его непросто.

Скорость распада не меняется. Радиоактивные атомы «не старают»

Распад любого атомного ядра – это так сказать, не «смерть от старости», а «несчастный случай» в его жизни. Для радиоактивных атомов (точнее ядер) не существует понятия возраста. Можно определить лишь среднее время жизни Т. Предсказать, когда произойдёт распад данного атома, не возможно. Этот закон справедлив для большого количества частиц.

Период полураспада постоянная величина, которая не может быть изменена

такими доступными воздействия, как охлаждение, нагрев, давление и т.д.

Физический смысл :

этого закона

2/22/19

Для разных химических элементов величина периода полураспада различна : от миллионных долей секунд (например, полоний)до миллиардов лет (например, уран).

Камера Вильсона

Счётчик Гейгера

Счётчик Гейгера

Счётчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и γ-квантов, а также для того, чтобы фиксировать некоторые их характеристики.

Анод

Катод

К усилителю

и счётному

устройству

R

Стеклянная трубка

Камера Вильсона

Камера Вильсона

Пары воды или спирта

Стеклянная

пластинка

Поршень

Вентиль

Метод толстослойных фотоэмульсий

В 1896 г. открыл радиоактивность, рассматривая ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки.

А.А. Беккерель

1852–1908 гг.

Метод толстослойных фотоэмульсий