МПК Магнитопорошковый метод. Удк 372. 8 53 16 ббк 74. 262. 22 С серия Классический курс основана в 2007 году
 Скачать 6.65 Mb.
|
|
Глава XIII. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА Физика атомного ядра — важный и обширный раздел современной физики, для которого особенно характерно соединение теоретических и экспериментальных методов исследования. В нём широкое применение наряду с законами и формулами классической механики и электродинамики находят законы и формулы релятивистской динамики, квантовой механики. Ввиду сложности строения атомного ядра как системы, состоящей из значительного числа нуклонов, при изучении ядра используются специальные модели. Среди них капельная модель ядра, оболочечная модель и др. Изучение ядерной физики в школе существенно не только из- за её практических приложений, но и потому, что в этом разделе расширяются наши представления о фундаментальных силах природы, о глубинных законах строения материи. При изучении строения ядра человеку открывается новый мир физических объектов — мир элементарных частиц. При построении учебного процесса рационально реализовать системный подход в отборе содержания уроков. Поэтому сначала изучают атомное ядро как физическую систему с определённым составом и взаимодействием элементов, затем рассматривают различные процессы — ядерные реакции. При этом параллельно рассматривают характеристики объектов и явлений, изучают экспериментальные средства их определения. В самом конце темы изучают практические следствия. Предлагаемый вариант планирования достаточно экономный, но всё же первый и второй уроки можно объединить. Проведение лабораторной работы программой предполагается, хотя она и не приведена в учебнике. В принципе после двух первых уроков далее содержание можно прямо планировать по логике учебника. Урок 1. Состав ядра. Ядерные силы Задачи урока изучить протонно-нейтронную модель ядра — основу всех выводов в школьном курсе о строении и свойствах ядра ввести понятия о новых силах, существенно отличающихся от ранее известных учащимся. Ход урока Урок можно провести в форме школьной лекции, дополнив рассказ учителя работой с учебником, таблицами Изложение нового материала Ранее было показано, что большая часть массы вещества сосредоточена в ядре — части атома очень малых размеров. Данный раздел посвящён изучению строения и свойств атомных ядер Что мы уже знаем о ядре Размеры ядра, как это следует из опытов Резерфорда, имеют порядок r =10 –14 —10 –15 м. Заряд ядра положителен и равен Ze, где Z — порядковый номер элемента в таблице Менделеева, а е =1,602189·10 –19 Кл — положительный заряд, по абсолютному значению равный заряду электрона. Какова же форма ядра атома В настоящее время установлено, что форма ядер всех элементов близка к сферической, хотя бывают и слегка вытянутые или сплюснутые ядра. Известны и массы ядер. Для определения массы ядра из массы атома надо вычесть массу электронов: M я = m a – э Наблюдается важная закономерность масса любого ядра превышает массу ядра водорода приблизительно в целое число раз. Так, масса ядра гелия почтив четыре раза больше массы ядра водорода, масса ядра урана почтив раз больше, итак для всех ядер. Можно предположить, что ядра многоэлектронных атомов состоят из ядер атомов водорода. Так ли это Так или иначе, но после открытия атомного ядра встал вопрос о его строении. В 1919 г. Э. Резерфорд, продолжая изучение ядер вещества, обнаружил среди частиц, выбитых из атомного ядра, частицу с единичным положительным зарядом и массой, равной массе ядра водорода. Она была названа протоном. Это подтверждает предположение, что ядро водорода входит в состав других ядер. Ядро водорода — это один протон. В ядро гелия должно входить два протона, так как заряд ядра гелия Z =2. Вообще число протонов в ядре должно быть равно заряду ядра Z, совпадающему с порядковым номером элемента в периодической таблице Менделеева. Кроме протонов в ядрах всех атомов, за исключением водорода, должны быть ещё какие-то частицы, так как массы ядер больше чем Zm p . В самом деле, ядро гелия имеет заряд, в два раза больший заряда протона, а масса ядра гелия почтив четыре раза больше массы протона. Из какого же числа протонов состоит ядро гелия — из двух или из четырёх? Решение этого вопроса сначала привело учёных к протонно-электронной модели атома. Согласно этой модели ядро атома гелия состоит из четырёх протонов и двух электронов, находящихся внутри ядра, так что общий заряд ядра оказывается равным ее =2е. В дальнейшем выяснилось, что электронов в ядрах атомов вещества нет, они не могут входить в состав такой малой по размерам системы, как ядро, в силу своих волновых свойств В 1932 г. ученик Резерфорда английский физик Д. Чедвик открыл новую элементарную частицу. Она оказалась нейтральной и очень близкой по массе к протону. Назвали её нейтроном. В том же году советским физиком Д. Д. Иваненко и немецким физиком В. Гейзенбергом была предложена протонно-нейтрон- ная модель ядра. Сумма числа протонов и числа нейтронов называется массовым числом и обозначается буквой А. Если обозначить число нейтронов N, то мы получим формулу, связывающую три числовые характеристики ядра: А = Z + Теперь понятно, почему масса ядра приблизительно в целое число раз превышает массу протона: М я Ат р , так как m n С помощью таблицы периодической системы элементов можно определить число протонов и нейтронов для ядер нескольких элементов. Вводим обозначение ядра: Z A X Ядра атомов элементов обозначаются той же буквой, что и сами эти элементы в химии, но дополнительно снабжаются индексами внизу, А — вверху. Далее вводят понятие изотопа. Рассматривают изотопы водорода дейтерий, 3 тритий, изотопы урана 92 238 U , 92 233 U , 92 и другие изотопы Следующий этап изложения материала — знакомство с новыми фундаментальными силами — ядерными. Знания о ядерном взаимодействии систематизированы в таблице 43. II. Для закрепления изучаемых понятий на уроке предлагают задания. Определите плотность ядерного вещества. Определите состав ядра углерода 6 14 C 3. Чем различаются ядра двух изотопов хлора с атомными массами 35 и 37? III. Домашнее задание § 78; упр. нас (ЕГЭ); упр. нас, Урок 2*. Модель ядерного взаимодействия. Решение задач После повторения материала предыдущего урока организуют работу с учебником фронтальное повторение качественных вопросов, построение конспекта параграфа, запись уравнений реакций, выполнение блок-схем и др. В заключение решают типичные задачи по выбору учителя. Домашнее задание § 79*, 81* (1, 2). Урок 3. Энергия связи атомных ядер Задачи урока изучить диаграмму энергии связи атомных ядер, лежащую в основе выводов о поглощении или выделении энергии в ядерных реакциях сформировать умение определять энергию связи. Ход урока. Перед изложением нового материала следует повторить основные положения теории протонно-нейтронной модели ядра Какова основная характеристика такой физической системы, как ядро, — основная учебная проблема урока Изложение нового материала начинается с сопоставления ядра как системы нуклонов с атомом — системой ядра и электронов. Вспоминаем об энергии связи электрона в атоме это энергия, которую нужно сообщить электрону, чтобы оторвать его от атома. Например, для атома водорода она равна 13,6 эВ из основного состояния. Энергия связи электронов в оболочках многоэлектронных атомов составляет десятки и сотни электрон- вольт Энергией связи ядра атома называется энергия, необходимая для полного разделения ядра на нуклоны. Будем обозначать её св Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи. Будем обозначать её e: e= E св A . Понятно, что чем больше энергия связи, тем прочнее ядро. Ядра не изменяются при химических реакциях, при поглощении света атомами потому, что энергия связи их много больше энергии, сообщаемой атомам в этих процессах. Оказалось, что удельные энергии связи нуклонов в различных ядрах имеют значения от 2 до 9 МэВ (1 МэВ 6 эВ. Как же определить энергию связи Формула для зависимости ядерных сил от расстояния точно неизвестна, неизвестно и точное расположение и движение нуклонов в ядре, поэтому рассчитать энергию связи ядра так, как это мы делали ранее для электрона в атоме, невозможно. Зато благодаря большим энергиям связи можно для расчёта использовать формулу теории относительности: Е = где Е — энергия покоя частицы, a m — её масса покоя Как это сделать, рассмотрим на конкретном примере атома гелия. Протоны и нейтроны имеют массы m р 1,67265·10 –27 кг кг, а масса ядра гелия кг, т. е. меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов назначение кг. Эта разность называется дефектом масс. Се помощью по формуле взаимосвязи массы и энергии вычисляем энергию связи: Е св = с 2 m. Для гелия приближённо получаем E св =0,04872·10 –27 кг 792·10 3 мс Дж. Осталось перевести это значение энергии в электронвольты: E св =4,3787·10 –12 Дж Дж/эВ 2,73296·10 7 эВ МэВ. На один нуклон приходится энергия e Не = E св 4 7 МэВ. Такова удельная энергия связи ядра гелия Масса ядра гелия меньше суммы масс входящих в него нуклонов потому, что присоединении нуклонов в ядро ядерные силы притяжения совершают работу, при этом выделяется энергия взаимодействия, равная энергии связи. Она уносит часть массы покоя нуклонов. Если потребуется разъединить нуклоны ядра, то нужно затратить энергию, равную энергии связи (совершить работу против ядерных сил, восполнив тем самым энергию покоя и массы нуклонов до прежнего значения. Энергия связи по изменённой массе ядра и известным массам протона и нейтрона рассчитывается для любого элемента по формуле E св =(Zm p + Nm n – M я ) с 2 Измерения и расчёты проведены для всех элементов. Результаты этой большой работы учёных-физиков обобщены графически, построена диаграмма удельных энергий связи (рис. 12.1 учебника. С помощью этой важной диаграммы можно определить энергии всех ядерных превращений Оценим сначала по энергии связи значения ядерных сил, сравнивая их с электрическими. В теории атома рассматривалась формула энергии взаимодействия двух электрических зарядов. Она оказалась обратно пропорциональной расстоянию между зарядами. В электронной оболочке энергия связи порядка 10 эВ при расстоянии электрона от ядрам. Если перейти к расстоянию порядкам, то энергия связи увеличится враз и будет порядка 10 5 эВ. Энергия же связи нуклонов в ядре, обусловленная действием ядерных сил, порядка 10 МэВ 7 эВ, те. враз больше. Значения ядерных сил считают превышающими значения электромагнитных враз Рассмотрим с помощью диаграммы (рис. 137), что про- изойдёт, если удастся соединить лёгкие ядра (начало периодической таблицы) и получить из них более тяжёлые. Поскольку энергия связи у ядер железа и близких к нему элементов наибольшая МэВ, то присоединении ядер с меньшим числом нуклонов в ядра с большим числом нуклонов получим выделение энергии в несколько ме- гаэлектронвольт на каждый нуклон. (Заметим, что в пересчёте Рис. 137 на макроскопическое количество вещества это очень большие энергии, так как атомы малы ив веществе их очень много.) В качестве примера такого выделения энергии можно назвать реакцию соединения четырёх ядер водорода в ядро гелия два протона при этом превращаются в нейтроны) с выделением энергии, как мы подсчитали, около 6,8 МэВ на один нуклон или около 27 МэВ на одно ядро образовавшегося гелия. Другая возможность высвобождения ядерной энергии заключается в делении ядер элементов, находящихся в конце периодической таблицы. Из диаграммы видно, что если удастся разделить ядро урана на два ядра элементов, находящихся в середине таблицы, тона каждый нуклон высвободится энергии около 1 МэВ, всего на ядро урана около 200 МэВ. Как реакции соединения ядер, таки реакции деления осуществлены человеком в наше время и используются для получения энергии Задачи на энергию связи могут быть составлены на основе диаграммы и справочных данных о ядрах. Чему равна энергия связи ядра дейтерия — изотопа водорода 2 2 H (тяжёлый водород Масса ядра дейтерия 3,34456 · 10 –27 кг. Работа по разделению молекулы воды на водород и кислород приблизительно равна 5 эВ. Оцените, во сколько раз атомные ядра прочнее молекулы воды. Быстролетящий нейтрон проникает в ядро. Изменится ли при этом энергия связи ядра. Рассчитайте энергию, выделяющуюся при превращении 1 г водорода в гелий. Рассчитайте энергию, выделяющуюся при делении 1 г урана Домашнее задание § 80, 81* (3–5); упр. нас (ЕГЭ); упр. нас (Урок 4. Ядерные реакции Задачи урока ознакомить учащихся с ядерными реакциями, с процессами изменения атомных ядер и превращения одних ядер в другие под действием микрочастиц подчеркнуть, что это отнюдь не химические реакции соединения и разъединения атомов элементов между собой, затрагивающие только электронные оболочки, а перестройка ядер как систем нуклонов, превращение одних химических элементов в другие. Ход урока Вопросы для организации повторения каков состав атомных ядер Что понимают под энергией связи атомного ядра Почему масса ядра неравна сумме масс протонов и нейтронов, входящих в него Как объяснить стабильность атомных ядер Как определить энергию связи атомного ядра При ответах на вопросы изученные формулы записывают на доске Какие явления происходят с атомными ядрами — учебная проблема урока Изложение нового материала учитель начинает, обращая внимание учащихся на различия ядер атомов разных элементов так как ядра состоят из различного числа протонов и нейтронов, то они имеют разные массы, электрические заряды, размеры, энергию связи. Всего с изотопами известно около 2000 разных ядер, называемых нуклидами. Но все ядра состоят из одних и тех же частиц — нейтронов и протонов. Изменяя их число вне- котором ядре, добавляя или удаляя нуклоны, можно получить другое ядро. Однако если химические реакции были известны и используются с незапамятных времён, то самопроизвольные ядерные превращения открыли только в самом конце XIX в, а искусственные ядерные реакции были осуществлены только в XX в. Это объясняется очень высокой устойчивостью ядер из-за большой энергии связи перестраиваться ядро будет лишь тогда, когда внешние воздействия принесут ему энергию, сравнимую с энергией связи Явления взаимодействия ядер с элементарными частицами или другими ядрами, при которых ядро изменяет свой состав и свойства, получили название ядерных реакций. Существуют разнообразные ядерные реакции. Таблица 44 даёт представление об их классификации. В верхней части таблицы представлены два класса реакций, различающихся механизмом. В нижней части реакции подразделяются по объектам взаимодействия и результатам. (Учащимся можно рекомендовать для чтения статью И. С. Ша пир о Механизм ядерных реакций — см. [26].) 3. После общего знакомства с ядерными реакциями учитель ставит перед учащимися следующую задачу изучить конкретные реакции, их запись с помощью уравнений и законы протекания. Первую ядерную реакцию осуществил Э. Резерфорд в 1919 г. Альфа-частицы с энергией 7,68 МэВ, испускавшиеся ядрами полония, взаимодействовали с ядрами азота 7 14 N . В результате получились ядра кислорода 4 17 O и протоны В ядерных реакциях выполняются закон сохранения заряда и закон сохранения числа нуклонов — массового числа А. Эти законы помогают записать символические равенства, обозначающие ядерные реакции. Реакцию, которую наблюдал Резерфорд, записывают так 14 2 4 8 17 1 1 N He O H + + Чтобы ядерная реакция происходила, нужно сблизить между собой два разных ядра или приблизить к ядру некоторую микрочастицу на расстояние, при котором действуют ядерные силы, те. сблизить их дом. Для этого приходится преодолевать значительное электростатическое отталкивание одноимённо заряженных ядер. Следовательно, частица, вызывающая реакцию, должна обладать значительной энергией, те. быстро двигаться Первые открытые реакции были вызваны частицами, выбрасываемыми при самопроизвольном распаде ядер урана, радия, полония. В настоящее время для получения ядерных реакций используют специально построенные ускорители элементарных частиц. В этих сложных технических сооружениях и приборах заряженные частицы разгоняются в электромагнитном поле и направляются на ядра-мишени. Ряд важных реакций происходит под действием электронейтральных нейтронов. Их получают в установках, называемых ядерными реакторами (будут изучаться далее. Нейтроны не отталкиваются ядрами, поэтому реакции вызывают как быстрые, таки медленные нейтроны, те. движущиеся со сравнительно малыми скоростями. Изучение ядерных реакций привело не только к пониманию законов строения ядра, но и к открытию ряда элементарных частиц. С помощью приведённой выше реакции установили, что в состав ядра входит протон. В другой ядерной реакции был открыт нейтрон (с. 330 учебника Для закрепления и углубления знаний решают задачи. Например, дописать ядерные реакции) 4 9 1 1 5 10 Be H B + + ? ® 4) 13 27 2 4 15 30 Al He + P + ® ? 2) 7 14 6 14 1 1 N C + + ? ® p 5) ? + Si + 2 4 14 30 1 1 He ® p 3) 7 14 2 4 1 1 N He + + H ® Задачи на расчёт энергии ядерных реакций решают с помощью Справочника, в котором массы ядер даны в атомных единицах массы, причём 1 а. ем кг, что соответствует энергии 931,5016 МэВ. Решение задач целесообразно выполнять в атомных единицах, переведя результат в мегаэлектронвольты, а для больших значений энергии — в джоули. Например, для реакции 2 1 3 2 4 0 1 H H + He + ® n имеем M трития + дейтерия а. е. м., М гелия + m n =5,011268 а. е. м. Отсюда дефект масса. ем, что соответствует 17,6 МэВ. Рассмотренная в примере реакция относится к реакциям ядерного синтеза Вопросы для организации повторения какие явления называются ядерными реакциями Каковы виды ядерных реакций Каковы законы ядерных реакций? Домашнее задание § 87; упр. нас (ЕГЭ); упр. нас (упр. нас (ЕГЭ). Урок 5. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц На предыдущих уроках был изучен теоретический материал, относящийся к протонно-нейтронной модели ядра и вытекающим из неё следствиям. Экспериментальные методы изучения ядра оставались в тени, хотя на опыт, приводящий к открытию тех или иных частиц, ссылки делались. Однако далее использование результатов эксперимента необходимо в большей мере. Материал на уроке изучается в основном описательный рассказ учителя следует дополнить демонстрацией опыта (ДЭ-2, с. 262—263), работой с рисунками учебника, таблицей Примеры задач для решения на уроке Рис. Рис. Рис. 140 237 1. Почему трек электрона в однородном магнитном поле в пузырьковой камере имеет вид спирали (рис. 138)? 2. Которая из частиц, оставивших следы в камере, обладала большей энергией (рис. 139)? 3. П, № 841, 852. 4. Охарактеризуйте частицы по их трекам (рис. 140). 5. Сколько ионов образует альфа-частица, вылетевшая из ядра изотопа радия с энергией 9,657 МэВ, если на образование одной пары ионов необходимо 35 эВ. Почему нейтрон был открыт значительно позднее протона и электрона Домашнее задание § 86*; П, № Урок 6*. Лабораторная работа Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям Решение задач Выполнение лабораторной работы возможно на основе известного дидактического материала (см С кр ели н ЛИ. Дидактический материал по физике. 10 класс. — М Просвещение) или на основе самостоятельно разработанной учителем инструкции. В качестве контрольных заданий по лабораторной работе следует использовать задачи и вопросы по расшифровке треков различных частиц. Домашнее задание П, № 847; упр. нас, Урок 7. Радиоактивность В истории развития физики именно открытие явления радиоактивности послужило мощным толчком к изучению строения и атома, и атомного ядра исследования распадов дали первые сведения о сложном строении атома и ядра и первые средства для их зондирования (опыты Резерфорда с альфа-частицами). Мы уже ссылались на радиоактивный распад с целью подвести учащихся к выводу о сложной структуре ядра. Теперь подробнее изучим это явление. Урок можно провести в форме школьной лекции с элементами беседы, включая и другие методы и приёмы работы. Учитель знакомит класс с планом работы на уроке. Ученики записывают в тетрадях содержание рассказа учителя в виде тезисов. (1896 г. Л. Беккерель. Самопроизвольное излучение урана. Радиоактивность тория, полония, радия. Состав излучений a-, b-, излучения. Независимость радиоактивного излучения от внешних условий. Выделение энергии. При подведении итогов можно по учебнику процитировать слова Резерфорда 238 3. Ученик рассказывает о жизни и работе Марии Склодов- ской-Кюри. При подготовке можно использовать книгу её дочери Е. Кюри Мария Кюри (М Атомиздат, 1976), в которой приведены фотографии, письма и другие биографические материалы Изучается правило смещения. В конце урока, подчёркивая важность открытия радиоактивности, учитель сообщает учащимся, что за исследования этого явления в разные годы было присуждено более десяти Нобелевских премий. Домашнее задание § 82—84; упр. нас (ЕГЭ); упр. нас П, № Урок 8. Закон радиоактивного распада Решение задач Ход урока Повторение, кроме актуализации знаний, нацелено на формирование умений и навыков, необходимых для решения задач. Учитель вовлекает в работу весь класс для этого предлагает дополнять ответы вызванных учащихся, комментировать с мест решение задачи на доске и т. д. Примерные вопросы из ада ч и для повторения. В чём состоит явление радиоактивного распада (Какова его причина Каков состав радиоактивного излучения Каковы его свойства Можно ли считать радиоактивный распад ядра ядерной реакцией В чём состоит при радиоактивном распаде проявление закона сохранения энергии. Сколько альфа- и бета-превращений испытывает уран 92 238 U при превращении в свинец 82 206 Pb? 3. Энергии покоя трития и гелия соответственно равны 2805,205 МэВ и 2804,676 МэВ. Энергия покоя электрона 0,511 МэВ. Разрешён ли законом сохранения энергии бета-распад трития, и если он происходит, то какова энергия выделяющихся электронов (Идёт процесс 1 3 2 3 H He + + ® n e .) II. При изложении нового материала учитель может ориентироваться на содержание учебника. С конкретными значениями периодов полураспада различных веществ учащиеся знакомятся по Справочнику. При работе с таблицей обсуждают вопросы и решают задачи. Было взято 10 6 ядер атомов фосфора 15 30 P. Через какое время останется половина ядер атомов четвёртая часть ядер. Было взято 10 6 ядер атомов калия 19 42 K и 10 3 ядер атомов углерода. Ядер какого вещества останется больше через 10 сут При расчёте используйте микрокалькулятор (компьютер Далее отработка нового материала продолжается по учебнику самостоятельная работа учащихся с графиком (рис. 12.5). Можно дать специально изготовленные графики каждому ученику. Обсуждают вопросы каков период полураспада вещества Сколько вещества распалось за время, равное полупериоду за время, равное двум полупериодам Как изменится активность число распадов в секунду) через промежуток времени, равный периоду полураспада За какое время распадётся всё вещество? На уроке (или дома) полезно решить вызывающую интерес учащихся задачу на определение возраста ископаемых останков древних животных и растений с помощью так называемого радиоактивного метода. Кратко поясняется суть метода. Все живые организмы вместе с обычным углеродом 6 12 C усваивают небольшое количество радиоактивного углерода 14 C . Причём содержание радиоактивного углерода в воздухе в течение тысячелетий постоянно. После гибели живого организма, например дерева, прекращается накопление ядер 14 C , а продолжается лишь их распад. Зная период полураспада углерода 14 C , закон радиоактивного распада, процентное содержание радиоактивных ядер при жизни организма и измеряя его на момент обнаружения, можно рассчитать возраст останков. Задач а: Определите возраст деревянного изделия, если на момент исследования в нём осталось 50% радиоактивных ядер Сот их нормального содержания. Период полураспада 5600 лет Домашнее задание § 82—84; упр. нас (ЕГЭ). Урок 9. Искусственная радиоактивность. Получение и использование радиоактивных изотопов Ход урока. Повторение теории и домашних задач. Содержание изучаемого материала достаточно традиционно. Много прикладного материала помещено в известной книге КН. Мухи на Примеры задач для решения в классе и дома. Имеется радиоактивная медь (искусственная радиоактивность) с периодом полураспада 10 мин. Какая часть ядер первоначального вещества останется через 30 мин 2 ч. Период полураспада изотопа 83 210 Bi 2 сут. Какая часть ядер данного вещества останется через 15 сут. Активность радиоактивного вещества уменьшилась в четыре раза за 8 сут. Определите период полураспада. Сколько процентов радиоактивного железа 26 59 Fe останется через месяц, если его период полураспада 45 сут 240 5. Радиоактивный углерод 6 С, введённый при обследовании в организм человека, даёт 2500 распадов в секунду. Определите количество введённого радиоактивного углерода. Для исследования обмена веществ и определения скорости кровотока используют радионуклид натрий. Определите период его полураспада и постоянную распада, если через 30 чего активность составляет 25% от прежней 7. Имеется 2,5·10 7 атомов радия. Сколько их останется через год, если период полураспада радия равен 1620 лет? Домашнее задание § 87, 93*; упр. нас (ЕГЭ); индивидуально отрывок из статьи Фи И. Ж о ли о - Кюри Новый вид радиоактивности (Хрестоматия, с. Урок 10. Деление ядер. Цепная реакция деления В начале урока (8—10 мин) повторяют домашнее задание, затем по логике учебника рассматривают новый материал (явление деления ядер, механизм деления, описание явления законами сохранения и др, в конце урока (10 мин) фронтально повторяют главное, решают качественные задачи. Для обобщения знаний используют таблицу Домашнее задание § 88; упр. нас (ЕГЭ); индивидуально П, № 840, Таблица Тип радиоактивного превращения Изменение заряда Изменение массового числа Процесс Альфа-распад Бета-распад распад b + -распад Электронный захвате- или захват –2 Z ± 1 Z + 1 Z –1 Z А –4 А Вылет частицы — системы двух протонов и двух нейтронов, соединён- ных вместе Взаимные превращения в ядре нейтрона 0 1 n ( ) и протона 1 1 p ( ) 0 1 1 1 1 0 0 0 n p e + + – ® nɶ e ( ) 1 1 0 1 1 0 0 0 0 p n e + + + ® n ( ) 1 1 1 0 0 1 0 0 p e n + + – ® n e ( ) 0 0 0 0 n n e e , ɶ — электронные нейтрино и антинейтрино. В скобках указаны частицы, вылетающие из ядра Тип радиоактивного превращения Изменение заряда Изменение массового числа Процесс Спонтанное деление – А – Деление ядра обычно на два ядра-осколка, имеющие приблизительно равные массы и заряды Урок 11. Ядерный реактор. Атомная электростанция. Понятие о термоядерных реакциях Задачи урока изучить принципы устройства и работы атомных реакторов рассмотреть особенности цепной ядерной реакции познакомить с термоядерными реакциями. Решение одной из домашних задач повторяется с кратким комментарием на доске. Вовремя подготовки решения организуется фронтальное повторение по вопросам чем характерна реакция деления ядер атомов Почему происходит реакция деления ядер урана Как возникает цепная реакция деления урана Можно ли управлять цепной ядерной реакцией деления Примерный план изложения нового материала. Устройство ядерного реактора (тепловыделяющие элементы, замедлитель нейтронов, поглотители нейтронов, теплоноситель, защитная оболочка Работа ядерного реактора (управление цепной ядерной реакцией, отвод тепла и т. д. Классификация реакторов по назначению (экспериментальные, исследовательские, изотопные, энергетические, по виду топлива (естественный уран, слабообогащённый уран, плутоний и др, по виду теплоносителя (вода, газ, металлы, породу замедлителя (вода, углерод, бериллий, без замедлителя, реакто- ры-размножители. 4. Направления использования ядерных реакторов и ядерной энергии получение электроэнергии, получение изотопов, технологическое применение (выработка тепла, опреснение воды и др.). Записанным учащимися планом можно разрешать пользоваться при ответе. Краткий рассказ о ИВ. Курчатове можно завершить яркой цитатой Он предстаёт перед нами как организатор науки большого, невиданного в довоенное время масштаба. Курчатов полон неистощимой энергии. Сверкающий его взгляд одинаково быстр и ясени утром, и глубокой ночью. Окружающие изнемогают от курчатовского темпа работы, он жене проявляет признаков утомления. Он доступен для всех. К нему идут за помощью и за советом. Его реакция мгновенна. Он привлекает всех, кто способен работать. создаёт вокруг себя атмосферу восторженного твор- Продолжение 242 243 ческого труда, требуя от каждого бескорыстного служения делу Голов и н И. НИВ. Курчатов. — М Атомиздат, 1972. — СВ итоге этого этапа урока обсуждают вопросы как осуществить цепную реакцию В чём принципиальное различие реакторов на медленных и быстрых нейтронах Почему реакторы на быстрых нейтронах называют реакторами-размножителями? Как осуществляется управление цепной ядерной реакцией. Учащихся кратко знакомят с другим методом высвобождения ядерной энергии — при реакциях слияния лёгких ядер. Подобные реакции слияния лёгких ядер получили название термоядерных реакций. Обратимся к наиболее перспективной термоядерной реакции 2 1 3 2 4 0 1 H H + He + Выделяющуюся при реакции энергию рассчитываем так по Справочнику определяем энергию связи дейтерия 2,22 МэВ, трития МэВ, гелия 28,29 МэВ. Получаем, что при образовании гелия выделяется энергия МэВ – (8,48 МэВ + 2,22 МэВ МэВ. На один нуклон приходится около 3,5 МэВ. Для сравнения скажем, что при ядерной реакции деления урана выделяется энергия около 1 МэВ на один нуклон. Таким образом, удельный выход энергии при этой термоядерной реакции в три с лишним раза больше, чем при делении урана. Далее могут быть рассмотрены вопросы термоядерные реакции на Солнце изв здах термоядерная бомба перспективы получения энергии для мирного использования с помощью термоядерных реакций. Домашнее задание § 89*, 90, 92; упр. нас (ЕГЭ); индивидуально — одна из следующих задач. Атомная подводная лодка постоянно потребляет мощность 6·10 4 кВт. Сколько урана 92 235 U расходуется на борту этой лодки за сутки. Определите массу угля, который даёт при сжигании туже энергию, что и уран 92 235 U массой 10 г. При делении ядра урана выделяется энергия, примерно равная 200 МэВ. (Недостающие данные возьмите из Cправочника.) 3. Определите электрическую мощность атомной электростанции, если она расходует в сутки 200 г урана 92 235 U при КПД, равном В конце урока обобщают знания о ядерных реакциях табл. Урок 12*. Решение задач Домашнее задание § 91*; упр. нас, ЕГЭ). Урок 13. Биологическое действие радиоактивных излучений Ход урока Повторение пройденного материала (полностью или частично) может быть проведено в виде письменной самостоятельной работы с использованием учебника. Примеры заданий. Выделяется или поглощается энергия при следующей реакции 7 2 4 5 10 0 1 Li He + B + ® n? 2. Радиоактивный изотоп технеция, не обнаруженный в природе, был получен искусственно в результате ядерной реакции 94 1 2 43 95 Mo H + Tc + ® Какая частица при этом образовалась 3. Почему хранение природного урана не связано с опасностью взрыва. Как осуществляют практически цепную ядерную реакцию деления Приведём план изучения нового материала Действие излучения на живые организмы ионизация молекула отсюда изменение клетки — разрушение хромосом, нарушение способности к делению, изменение проницаемости клеточных мембран и др Характеристика действия излучений D — поглощённая доза излучения, её единица — 1 Гр (один грэй). Измерение по- глощённой дозы излучения D. Факторы, влияющие на результат действия излучения а) защита б) вид излучения, его энергетический спектр, доза, время действия в) область поражения. Различные дозы излучения и их последствия. Примеры. Так, естественные источники радиоактивного излучения (космические лучи, радиоактивность почвы, воды, человек и др) дают дозу 4·10 –4 — 20·10 –4 Гр в год. Много это или мало Если человек за короткое время получит дозу 4—5 Гр, то возможен смертельный исход. Но такая же доза, полученная в течение длительного времени, не приводит к каким-либо последствиям. В Лондоне, например, доза облучения от естественного окружения составляет около 7·10 –4 Гр в год, от медицинских рентгеновских установок мы получаем дозу порядка 3·10 –4 Гр, при длительном полёте на самолёте — 3·10 –5 Гр и т. д Защита от радиоактивных излучений удаление радионуклидов, убежища, индивидуальные средства защиты. Профилактика Задача для повторения. Сколько времени должно пройти, чтобы радиоактивное загрязнение стронцием с периодом полураспада 28 лет уменьшилось враз Домашнее задание § 94*; П, № 859, 860. Урок 14. Успехи, перспективы и проблемы развития ядерной энергетики Задачи урока ясны из его названия. Урок имеет большое воспитательное значение. На нём поднимаются и раскрываются проблемы борьбы за мир, за разоружение, экологические проблемы. Показ сложностей технической реализации достижений современной физической науки ив тоже время грандиозных успехов и перспектив их практического применения содействует формированию у учащихся научного мировоззрения Урок можно построить в форме конференции. Примерные темы выступлений учащихся. История развития ядерной энергетики в СССР. Состояние ядерной энергетики в России. Проблемы и перспективы развития ядерной энергетики в России и за рубежом. Значение ядерной физики для народного хозяйства. К уроку подготавливается выставка книг в кабинете или библиотеке, используются предыдущие и новые таблицы табл. 48), государственные документы (цитаты из них, материалы периодической печати). Домашнее задание § 92—94*; для индивидуального решения предлагается задач а. За первый день радиоактивный радон массой 0,1 мг испускает 4,3·10 16 частиц. В последующие дни были получены такие результаты активности (в процентах от первоначальной): День 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Проценты 84 70 59 49 41 34 27 24 Постройте график зависимости активности от времени. По графику определите какая доля радона распадается за сутки Через сколько дней распадётся половина радона Сколько за это время будет выделено частиц? Урок 15. Повторение. Решение задач (резерв учителя) Урок 16*. Контрольная работа (зачёт) |