Разработка урока по теме: Изотопы. Применение изотопов.

Урок- конференция по теме: "Изотопы. Применение радиоактивных изотопов"

Цель урока: Создать условия для творческой деятельности учащихся по формированию понятия изотопов и их использованию человеком.

Задачи:

• Сформировать понятие изотопов

• Познакомить с методами использования изотопов

• Развить представления о пользе и вреде изотопов

• Развивать умение выдвигать гипотезы и делать выводы

• Способствовать формированию научного мировоззрения, объективного отношения к использованию радиации

Тип урока: урок-конференция

Методы:

1. По источникам знаний: словесные, наглядные;

2. По степени взаимодействия «ученик- учитель»: выступления;

3. По дидактическим целям: изучение нового материала;

4. По характеру познавательной деятельности: исследовательский;

5. По степени расчленения знаний: аналитический;

6. По характеру движения мысли от незнания к знанию: индуктивный;

Средства обучения: А) Наглядные пособия: периодическая таблица Менделеева,

Б) Технические средства обучения: компьютер, телевизор.

В) Дидактический материал: Учебник для 11 класса под ред. Г.Я. Мякишева, Б.Б. Буховцева, периодическая таблица Менделеева, средства интернета.

Ход урока:

1.Организационный момент (1 мин.)

Быть может, эти электроны -

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!

Еще, быть может, каждый атом -

Вселенная, где сто планет;

Там всё, что здесь, в объеме сжатом,

Но также то, чего здесь нет.

2.Проверка домашнего задания:

1 ученик: пишет на доске правила смещения и комментирует их. Дописывает предложенные ядерные реакции:

β+? β+ γ+?

2 ученик: Записывает закон радиоактивного полураспада, дает определение периода полураспада и решает задачу:

За какое время количество радиоактивных ядер углерода уменьшится в 4 раза, если период полураспада углерода 5700 лет.

Фронтальный опрос:

1. Что такое радиоактивность?

2. Кто первым обнаружил радиоактивность химических элементов?

3.Какие виды радиоактивного распада существуют?

4. Что происходит с элементом при

5. Что называют периодом полураспада элемента? Формула для расчета.

Проверка заданий у доски.

Радиоактивный распад – радиоактивное (самопроизвольное) превращение исходного (материнского) ядра в новые (дочерние) ядра.

4. Выступления учащихся по теме: история открытия изотопов и их "мирное" применение.

Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц, распространяющихся с начальной скоростью около 20 тыс. км/с. Их ионизирующая способность огромна, но проникающая способность незначительна: длина пробега в воздухе составляет 3—11 см, а в жидких и твердых средах — сотые доли миллиметра. Лист плотной бумаги полностью задерживает их. Надежной защитой от альфа-частиц является также одежда человека.

Поскольку альфа-излучение имеет наибольшую ионизирующую, но наименьшую проникающую способность, внешнее облучение альфа-частицами практически безвредно, но попадание их внутрь организма весьма опасно.

Бета-излучение — поток электронов со скоростью, близкой к скорости света. (300 тыс. км/с). Проникающая способность в живых тканях — до 3 см, металле — до 1 см. На практике бета-частицы почти полностью поглощают оконные или автомобильные стекла и металлические экраны толщиной в несколько миллиметров. Одежда поглощает до 50 % бета-частиц.

Гамма-излучение — это электромагнитное излучение, распространяющееся со скоростью света. Гамма-излучение имеет наибольшую проникающую способность и в воздухе может распространяться на сотни метров. Для ослабления его энергии в два раза необходим слой вещества (слой половинного ослабления) толщиной: воды — 23 см, стали — около 3, бетона — 10, дерева — 30 см. Является важнейшим фактором поражающего действия. Хорошей защитой от гамма-излучений являются тяжелые металлы, например свинец.

1.Открытие изотопов, историческая справка.

В 1808 английский ученый натуралист Джон Дальтон впервые ввел определение химического элемента как вещества, состоящего из атомов одного вида. В 1869 химиком Д.И.Менделеевым был открыт периодический закон химических элементов.

К середине тридцатых годов прошлого столетия периодическая таблица была разработана настолько, что показывала положение уже 92 элементов. Под порядковым номером 92 был уран – последний из найденных на Земле естественных тяжелых элементов.

В результате наблюдения огромного числа радиоактивных превращений обнаружилось, что существуют вещества, имеющие одинаковые химические свойства, но различные по массе и радиоактивности. В связи с этим, Фредерик Содди в 1911 году выдвинул гипотезу о существовании разновидностей одного и того же химического элемента, отличающихся своей радиоактивностью. Именно Содди назвал элементы, занимающие одно место в таблице Менделеева, изотопами .Фредерик Содди (1877–1956), известный английский радиохимик, лауреат Нобелевской премии 1921 г .

В настоящее время установлено существование изотопов у всех химических элементов. Первым элементом, созданным искусственным путем, был технеций ⁹⁹₄₃Тс. Он был получен в 1937 г. при бомбардировке молибдена дейтерием.

Сегодня известно точно, что изотопы отличаются тем, что их ядро содержит разное количество нейтронов, но эти элементы имеют один и тот же заряд( порядковый номер).

Самыми интересными, с точки зрения физиков, являются изотопы водорода: протий ; дейтерий и тритий . Дейтерий стабилен и входит в состав обычного водорода. При соединении дейтерия с кислородом образуется так называемая тяжелая вода. Ее физические свойства заметно отличаются от свойств обычной воды. При нормальном атмосферном давлении тяжелая вода кипит почти при 101,2⁰С и замерзает при 3,8⁰С. Изотоп водорода- тритий β-радиоактивен и имеет период полураспада 12 лет.

Радиоактивными элементами являются все элементы, идущие в таблице Менделеева после свинца (включая висмут), а также элементы технеций и прометий. 

Основными физическими характеристиками радиоактивного изотопа яв­ляются:

1. Тип радиоактивности, которой он обладает: α-, β-, γ-

2. Период полураспада, то есть время, в течение которого в среднем распадается половина всех атомов данного радиоактивного вещества;

3. Энергия испускаемого излучения.

По­лучают радиоактивные изотопы на ядерных реакторах и в ускорителях заряженных частиц.

В настоящее время производством изотопов занята большая отрасль промышленности

Учитель. В настоящее время как в науке, так и в производстве все более широко начинают применяться радиоактивные изотопы различных химических элементов. Наибольшее применение нашел метод «меченных атомов».

2. Метод «меченых атомов» для диагностики

Метод «меченных атомов» основан на том, что химические свойства радиоактивных изотопов не отличаются от свойств нерадиоактивных изотопов тех же элементов, но они являются источниками радиоактивного излучения. Радиоактивные изотопы, введенные в изучаемый объект, дают возможность исследовать свойства вещества и ход разнообразных процессов. Сейчас с успехом применяют «меченные атомы» в науке, технике, сельском хозяйстве.

Метод «меченных атомов» стал одним из наиболее действенных методов при решении многочисленных проблем биологии, физиологии, медицины. «Меченные атомы» — это атомы изотопов, ядра которых испускают α-, β-частицы или γ-кванты, и их излучение можно обнаружить при помощи особых счетчиков.

По «меченым атомам» изучают характер накопления препарата в том или ином органе или ткани.

В настоящее время для целей диагностики наиболее широко применяются  радиоактивные изотопы

йода J131, фосфора Р32, натрия Na24 .

Изотоп натрия Na-21 используется для определения скорости кровотока в кругах кровообращения.

Изотоп кислорода-18 помогает выяснить механизм дыхания живых организмов.

Учитель. Остановимся более подробно на том, где и с какой целью применяют те или иные изотопы в медицине, сельском хозяйстве, промышленности.

3.«Радиоактивные изотопы в биологии»

С помощью радиоактивного «меченного» фосфора выявлено интересное явление в природе. Оказывается, в дубовом лесу срастаются корнями по 30 и более деревьев, образуя единую корневую систему. По ней продвигаются не только питательные вещества, но и возбудительные заболевания леса. Теперь стало ясно, почему в дубовом лесу одновременно заболевают много деревьев.

Добавлением к кислороду избытка изотопа  было установлено, что свободный кислород, выделяемый при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа. Метод «меченных атомов» помог установить, что растения получают углекислоту не только через листья из воздуха, но и путем поглощения ее из почвы корневой системой при последующей передаче в зеленые части организма.

Одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью «меченных атомов», являлось исследование обмена веществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно небольшое время организм подвергается почти полному обновлению. Слагающие его атомы заменяются новыми. Лишь железо, как показали опыты по изотопному исследованию крови, является исключением из этого правила. Железо входит в состав гемоглобина, красных кровяных шариков. При введении в пишу радиоактивных атомов железа  было обнаружено, что они почти не поступают в кровь. Только в том случае, когда запасы железа в организме иссякают, железо начинает усваиваться организмом.

«Меченные атомы» широко применяются также в исследованиях биохимии мозга. Оказалось, что процессы возбуждения связаны с увеличением потребления фосфора корой головного мозга; при этом повышается интенсивность обновления рибонуклеиновой кислоты и фосфолипидами.

При помощи «меченных атомов» следят за движением питательных веществ в организме животного. Для этого в организм вводят радиоактивный изотоп (чаще всего радиофосфор), а затем определяют содержание его в той или иной ткани или органе. Все наблюдения выполняются в живом организме без нарушения его нормальной жизнедеятельности.

4. «Радиоактивные изотопы в медицине»

Диагностика и Лечение

1.Диагностика.Метод «меченных атомов» широко используется в медицине для исследования обмена веществ в организме человека и постановки диагноза.

Радиоактивный натрий, вводимый в небольших количествах в кровь, используется для исследования кровообращения. Йод интенсивно отлагается в щитовидной железе, особенно при базедовой болезни. Наблюдая с помощью счетчика за отложением радиоактивного йода, можно быстро поставить диагноз. Большие дозы радиоактивного йода вызывают частичное разрушение аномально развивающихся тканей и поэтому радиоактивный йод используют для лечения базедовой болезни.

Кроме того, ЙОД-131 используется определения метастазов рака в печени и почках. Изотоп фосфора

Р-32 используется при диагностике опухолей головного мозга, половой сферы, носоглотки, глаз;

2. Лечение. Лечение на основе использования радиоактивных изотопов-это РАДИОТЕРАПИЯ.

(латинское radio — излучаю и греческое therapeia — лечение).

В 1901 году французские врачи Э. Бенье и А. Данло впервые применили излучение радия с лечебной целью. В результате дальнейших исследований было установлено, что наиболее чувствительными к излучению радия, так же как и к рентгеновым лучам, являются молодые, быстро растущие и размножающиеся клетки. Это привело к мысли использовать радиоактивные излучения для разрушения злокачественных опухолей.

Альфа-излучение возникает при распаде естественных радиоактивных веществ и используется для лечения на курортах с природными радиоактивными водами (например,в Пятигорске) или в виде радоновых ванн. Осуществляют альфа-терапию в виде радоновых ванн (общих и местных), питья радоновой воды, микроклизм, орошений, вдыхания воздуха, обогащенного радоном, а также наложением на определенные участки кожи больного радиоактивных повязок (марлевые аппликаторы с дочерними продуктами торона) или мазей и растворов с торием.

Альфа-терапевтические процедуры имеют широкий спектр применения. Так, они благотворно влияют на центральную и вегетативную нервные системы, эндокринные железы, сердечно-сосудистую систему. Они оказывают успокоительное, обезболивающее и противовоспалительное действие.

Бета-излучение образуется при распаде радиоактивных изотопов — фосфора-32, стронция-89,

серебра-111 . Бета-терапия может быть внутритканевой, внутриполостной и аппликационной. Так аппликационную бета-терапию применяют при капиллярных ангиомах, а также некоторых хронических воспалительных заболеваниях глаз. Так, радиоактивный иод-131, будучи введен в организм (путем приема внутрь), больше всего поглощается щитовидной железой. В тех случаях, когда радиоактивное вещество избирательно не поглощается пораженными тканями, его вводят непосредственно в опухоль .Для этой цели используют радиоактивный изотоп золота-198 в виде коллоидного раствора. Этот изотоп будучи введен в опухоль, задерживается в ней, но быстро распадается(период полураспада — 2-3 дня) . Образующиеся при распаде изотопа бета- и гамма-излучения разрушают опухолевые клетки.

Гамма-излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Образующиеся при распаде естественных радиоактивных веществ (радия, мезотория), а также при распаде искусственных радиоактивных изотопов — кобальта-60, натрия-24, иода-131 и др. Гамма-излучение в зависимости от энергии может проникать в ткани на любую глубину и даже проходить через все тело, в то время как бета-частицы могут проникать в ткани только до глубины 19 мм, а альфа-частицы на глубину 100 микрон.

Для лечебных целей применяют радиоактивный изотоп фосфора. Поступившее в организм через рот, это вещество концентрируется в соответствующих органах и тканях организма, где распадаясь, действует своим излучением на близлежащие ткани. Радиоактивный фосфор концентрируется в компактном веществе трубчатых костей. Распадаясь с излучением электронов, он облучает находящийся в костях костный мозг и этим нормализует нарушения при некоторых заболеваниях кроветворения.

Одно из направлений гамма-терапии – гама-нож. Здесь речь идет уже не о собственно терапии, а скорее хирургии, поскольку опухоль уничтожается целиком (отсюда и  название – гамма-нож). При таком виде гамма-терапии используются источники гамма-излучения высокой интенсивности. Так, в качестве таких источников выступают, например, мощные кобальтовые пушки, источником излучения в которых является радионуклид  

Co-60 . Применение гамма-излучения высокой энергии позволяет подводить к глубоко расположенным опухолям значительно большие дозы, чем при использовании рентгеновского излучения

Гамма-установки- кобальтовые «пушки» имеют разную интенсивность излучений и позволяют проводить воздействия на опухоль или другой болезненный очаг, располагающийся на глубине до 15 см от поверхности кожи. С помощью этой установки лечат больных с опухолями легких, пищевода, с раковыми поражениями женских половых органов..

5. «Радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве»

Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Предпосевное облучение семян, предпосевное замачивание семян в радиоактивных растворах, внесение в почву радиоактивных веществ в качестве микроудобрений, облучение растущих растений небольшими дозами

γ-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности.

Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли, кукурузы, гороха и других культур, а также получены высокопродуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков.

Картофель, облученный γ-лучами, не портится и не прорастает более года. γ-излучения радиоактивных изотопов используются также для консервации пищевых продуктов, т.к. убивает бактерии и микробы, не нанося ущерба самим продуктам и не делая их опасными.

γ-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми. В обработанном радиацией зерне уже не будут развиваться отложенные личинки и в такой крупе не заведутся жучки.

Широкое применение получили «меченные атомы» в агротехнике. Чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором ³²₁₅P. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из различных сортов удобрения.

На птицефабрике облучают яйца. Благодаря этому из каждых 100 яиц в результате инкубации выводится в среднем 97 цыплят, то есть на 7 штук больше, чем без облучения.

В рыболовной промышленности также используют метод «меченных атомов». Чтобы проследить, как далеко уходят в море мальки, выращенные на рыбозаводах, их помещают на некоторое время в воду, содержащую радиоактивный фосфор. Фосфор поступает в организм мальков, после чего их выпускают в море. Затем при проверке рыбных уловов, проведенных в разных местах моря, можно узнать рыбу с «меченным атомом».

6. «Радиоактивные изотопы в промышленности»

Не менее обширно применение радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров этого может служить способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневые кольца нейтронами, вызывают в них ядерные реакции, то есть делают кольца радиоактивными. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ колец.

Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах.

Мощное γ-излучение радиоактивных препаратов используют в тяжелой промышленности для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.

Широкие возможности открываются при использовании радиоактивных изотопов для создания приборов и средств автоматики.

Изотопы плутония-238, кюрия-224 могут применяться для производства батарей большой мощности – от киловатта до милливатта. Они могут использоваться, например, в приборах для стабилизации ритма сердца. При этом для бесперебойной работы на протяжении по крайней мере 10 лет достаточно всего 150–200 мг плутония (оксидортутные батареи служат до 4 лет).  

    Прибор, называемый гамма-толщиномер, быстро и с большой степенью точности определяет толщину обшивки судовых корпусов, стенок труб, паровых котлов и других изделий, когда к их внутренней поверхности невозможно подобраться и поэтому обычные приборы оказываются бессильны.

7. «Радиоактивные изотопы в археологии»

Для датирования горных пород и минералов, археологических раскопок используют радиоуглеродный метод. Метод радиоактивного углерода применяют для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т. д.).

В растениях всегда имеется радиоактивный изотоп углерода ¹⁴₆С с периодом полураспада 5700 лет. Он образуется в атмосфере Земли в небольшом количестве из азота под действием нейтронов космического излучения.

Образующийся радиоактивный изотоп углерода быстро окисляется. Соединяясь с кислородом, этот углерод образует углекислый газ, поглощаемый растениями, а затем в виде пищи попадает в живые организмы. Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около 15 β-частиц в секунду. После гибели организма пополнение его радиоактивным углеродом прекращается. Имеющееся же количество этого изотопа убывает за счет радиоактивности. С момента гибели организма концентрация этого изотопа углерода в тканях постепенно уменьшается и по количеству оставшегося ¹⁴₆С, зная период его полураспада, можно определить время гибели организма.

Опыты по использованию ¹⁴₆С для установления возраста древностей связаны с именем американского ученого Либби, который в 1947 г. был признан автором метода радиоуглеродного датирования. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органических остатках, можно определить их возраст, если он лежит в пределах от 1000 до 100 000 лет. Таким методом узнают возраст египетских мумий, остатков доисторических костров, археологических находок.

С помощью гамма-лучей удалось разрешить давно интересовавший ученых-египтологов вопрос о маске фараона Тутанхамона. Одни утверждали, что она сделана из целого куска золота, другие считали, что ее собрали из отдельных частей. Решено было прибегнуть к помощи кобальтовой пушки - специального устройства, “заряженного” изотопом кобальта. Оказалось, маска действительно состоит из нескольких деталей, но настолько тщательно подогнанных одна к другой, что заметить линии стыка было совершенно невозможно.

8. Это интересно

Интересно использование кобальта-60, проводивщееся в США в борьбе с насекомыми, и в частности с мухами, путем наводнения естественной популяции мух стерильными мухами мужского пола, производящихся с помощью радиоактивного кобальта на специальной... фабрике мух!

     Сущность такого оригинального способа борьбы с мухами  же заключается в следующем. На фабрике мух, представляющей собой большое двухэтажное здание, три, миллиона обычных мух откладывают личинки, образующиеся из них куколки выдерживаются в соответствующих условиях до их созревания.

     Между прочим, в этот период, а он длится до пяти с половиной суток, потребляется значительное количество продуктов. Так, например, ежедневно требуется 6 т мяса, 5 т воды, 2,5 т говяжьей крови, 2,5 л меда, 30 л плазмы.

     За два дня до образования взрослых мух личинки подвергаются облучению кобальтом-60, который применяется в виде полосок размером 32,5х5х0,3 см, покрытых нержавеющей сталью в специальных облучателях. Всего таких облучателей 6, облучение куколок длится 12-14 мин. Появившиеся мухи мужского пола становятся стерильными. Ежедневно производится 10 млн. мух, с самолетов они разбрасываются в необходимых районах из расчета 100-800 мух на квадратный километр. После спаривания стерильных самцов с самками естественной популяции мух яйца, отложенные последними, не развиваются и естественная популяция мух, не пополняясь, быстро сходит на нет.

Совсем недавно интересное открытие сделали французские ученые. Они установили, что радиоактивный кобальт может с успехом служить... приманкой для молний. При небольшой добавке изотопа в стержень громоотвода воздух вокруг него в результате гамма-излучения ионизируется в значительных объемах. Грозовые разряды, возникающие в атмосфере, притягиваются, словно магнитом, к радиоактивному громоотводу. Эта новинка помогает “собирать” молнии в радиусе нескольких сот метров.

Итог: Можно привести множество других примеров практического применения изотопов и радиоактивного излучения. Несмотря на это отношение людей к радиации, особенно в последние десятилетия, резко изменилось. За примерно столетнюю историю радиоактивные источники прошли долгий путь от эликсира жизни до символа зла.

Подведение итогов. Учитель: ребята, сегодняшняя конференция показала нам, что человек способен на многое. Используя ядерный распад, можно уничтожить все живое на Земле, завладеть властью и держать весь мир под страхом ядерной войны. А можно разумно использовать радиацию во благо человечеству. Давайте попробуем расставить приоритеты

Учащиеся располагают подготовленные к уроку по теме своего сообщения листы-ниформаторы на доске в порядке их значимости.