Вывод: Радиоактивность - способность некоторых атомных ядер само­произвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц

"Происходящие события можно проиллюстрировать на нашем примере с богачом. Атом М - это богатый купец, который при жизни не расстается с деньгами /с энергией/. Но по завершению он передает свое сос­тояние сыновьям N и М при условии, что они выделят для общества некую малую часть, меньшую одной тысячной всего имущества (энергии или массы)". А_. Эйнштейн

Дополнительная информация: Ослабление пучков частиц (нейтронов, γ -квантов, β-частиц) в плоских мишенях.

Если I(х) - поток частиц на глубине х, а I(х + Δх) - на глубине (х + Δх), то I(х) – I(х+Δх)= и . Тогда и .

Если ввести понятие слоя половинного ослабления I(d) = I₀/2, то ln2 и

ІІІ. Задачи:

1. Сколько α и β распадов должно произойти, чтобы ядро U превратилось в Pb?

2. Элемент атомной батареи представляет собой конденсатор, на одну из пластин которого нанесен радиоактивный препарат, испускающий - частицы со скоростью 2,2·10⁶ м/с. Определите ЭДС этого элемента.

3. При β - распаде атома радиоактивного изотопа Ra из него выле­тает электрон с кинетической энергией 0,05 МэВ. Какова кинетическая энергия образовавшегося изотопа актиния Аc?

4. Определите максимальную кинетическую энергию β⁺ - частиц, вылетающих при распаде C в В. Какова максимальная энергия нейтрино? Какова его минимальная энергия? m_С = 11, 01143 a.e.м. m_В =11,00930 а.е.м.

5. Слой половинного ослабления γ-излучения некоторой промышленной установки составляет в свинце 2 см, в бетоне 10 см. Для радиационной безопасности обслуживающего персонала необходим защитный слой свин­ца 1 см. Какой слой бетона потребуется вместо этого слоя свинца?

ІV. §§ 89-91 Упр. 13 №1

"Там вдумчивые взгляды

Ведут неверный мост

Сквозь созидания и распады

От атомов до звезд".

Э. Верхари

Урок 26. ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учеников с законом радиоактивного распада, его статистическим характером.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: набор кододиапозитивов, монеты, магнитная доска с принадлежностями, лист бумаги.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 20 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный: 1. Естественная радиоактивность. 2. Состав радиоактивного излучения. 3. Правило смещения.

Вопросы:

1. Почему в опытах Резерфорда (1903 г.) радиусы траектории α - частиц в сотни раз превышали радиусы траекторий β - частиц в опыте Беккереля (1899 г.)?

2. В ядро какого элемента превращается ядро изотопа тория Тh, если оно претерпевает три последовательных α-распада?

3. В результате какого радиоактивного распада ядро Na превращается в ядро магний-22?

4. Почему α - частицы, испускаемые радиоактивными препаратами, не могут вызвать ядерных реакций в тяжелых элементах?

5. Почему при альфа - распаде одинаковых ядер энергии α - частиц одина­ковы, а при бета - распаде одинаковых ядер энергии β - частиц различны?

6. Одним из методов урановой разведки стало измерение потоков гелия, восходящих из глубинных пластов Земли (гелиеметрия). Почему?

7. Почему бета – распад следует считать нуклонным, а не внутриядерным процессом, как альфа – распад?

8. Возраст Земли – несколько миллиардов лет, а период полураспада радия – 1620 лет. Почему же на Земле ещё сохранился радий?

9. Почему вылетающие из ядра при - распаде электроны могут иметь разные энергии?

10. Впишите недостающую частицу или ядро: а) ; б) в)

Задачи:

1. Какая энергия выделяется при β-распаде ядра углерода C и его превращении в ядро азота N? m_C = 14,00324 а.е.м.

2. Изотоп Ро может распадаться с испусканием либо α -, либо β - частицы. Какая энергия выделяется в каждом из этих случаев?

m _{Po =} 218,008969 а.е.м., m_pb= 213,99980 а.е.м., m_At =218,0087 а.е.м.

3. Гамма-излучением (поглощением) называется электромагнитное излучение, возникающее при переходе атомных ядер из возбужденных состояний в более низкие энергетические состояния и наоборот. Ядро атома олова Sn движется со скоростью 63 м/с и испускает γ-квант в том же направлении. Этот γ - квант поглощается неподвижным и свободным ядром олова. Найдите энергию γ - кванта. Энергия покоя ядра олова Е₀ = 113 ГэВ. При испускании и поглощении происходит переход между одними и теми же энергетическими уровнями ядра.

III. Период полураспада (Т) - промежуток времени, в течение которого распадается половина из наличного числа атомов данного радиоактив­ного элемента.

Примеры: T _U = 4,5·10⁹ лет. Т _Ra = 1620 лет.

Вывод закона радиоактивного распада с демонстрацией на магнитной доске и одновременное построение графика. Основная N = N₀· и полезная формулы lg

Cтатистический характер закона радиоактивного распада. Демонстрация с бросанием монет и построение графика распада.

Понятие об активности радиоактивного элемента. Если в момент времени t образец содержит N(t) радиоактивных атомов, то в момент времени t + Δt их останется N(t +Δt).Активность препарата: А = lim

Сравнивая, получим

N - Принимает только целые значения.

Единица активности в Си: 1 Бк = 1 расп/с. 1 Ки (Кюри) = 3,7·10¹⁰ расп/с.

Определение возраста образца:

Радиоуглеродный метод: Изотоп С (T = 5730 лет) непрерывно обра­зуется в верхних слоях атмосферы под действием нейтронов вторичного космического излучения: N + n → С+ р (из-за постоянства по­тока нейтронов устанавливается динамическое равновесие и концентра­ция C остается неизменной: 15 β-распадов на 1 г углерода: ⁾. После смерти организма концентрация С снижается. Почему?

Дополнительная информация: В 1957 году чета Ионссонов продала свой дом и переехала в Рейкьявик. Спустя неделю стариков арестовали за преднамеренное убийство. С помощью радиоуглеродного метода удалось установить, что убийство совершено в 1350 году?!

IV. Задачи:

1. Имелось некоторое количество радиоактивного радона. Количество радона уменьшилось в 8 раз за 11,4 дня. Каков период полураспада радона?

2. Изотоп водорода Н (тритий) имеет период полураспада 12,33 года. Его можно использовать для датировки предметов, возраст которых не превышает 100 лет. Тритий образуется в верхних слоях атмосферы и переносится на Землю с дождем. Определите возраст бутылки вина, если активность трития в нем составляет 1/10 активности в молодом вине.

3. Образец руды содержит уран и свинец Pb-206. Считая, что образец содержит 0,85 г изотопа РЬ -206 на каждый грамм изотопа U-238, определите возраст данного образца руды.

4. Сколько кубических миллиметров гелия выделяется в результате рас­пада 1 г радия в течение года? Считать, что гелий находится при нор­мальных условиях.

5. В свинцовый контейнер массой 5 кг поместили радиоактивный источник, после чего через 3 ч температура контейнера повысилась на 3,2 К. Известно, что данный радиоактивный источник испускает -частицы с энергией 5 МэВ, которые полностью поглощаются контейнером. Определите активность источника, если теплоемкостью источника и теплообменом с окружающей средой можно пренебречь.

V.

§ 92 Упр. 13, № 2,3

1. По справочнику определите периоды полураспада радиоактивных изотопов, образующихся при взрыве атомной бомбы.

2. Подготовить пятиминутное сообщение о жизни и научной деятельности П. Кюри и М. Кюри.

3. Предложите проект γ-лазера.

4. Почему в природе нет химических элементов с порядковыми номерами 85 и 87 и, их получают искусственно? А почему нет элементов с порядковыми номерами 43 и 61?

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ:

1. Возраст археологических образцов можно определить по содержанию в них радиоактивного углерода С, период полураспада которого 5730 лет. Радиоактивность атмосферного углерода 0,255 Бк на грамм углерода. Найдите возраст находки, у которой 100 мг углерода дают 35 распадов в час.

2. Площадь поверхности озера, покрываемая одной кувшинкой, каждый день увеличивается вдвое. Через десять дней вся поверхность озера оказывается, покрыта ею. За сколько дней покроют все озеро две вол­шебные кувшинки?

3. Известно, что радий массой 1 г за время 1 с дает 3,7·10¹⁰ ядер гелия. Каково будет давление гелия, образующегося в герметичной ампуле вместимостью 1 см³, в которой в течение года находилось 100 мг радия? Температура ампулы 15⁰С.

4. Чтобы достичь первого миллиарда, человечеству потребовалось более миллиона лет, второй миллиард был достигнут за 100 лет, третий – за 40 лет, четвертый - за 15 лет, пятый - за десять. За какое время будет достигнут десятый миллиард? Темпы роста увеличиваются практи­чески по экспоненте.

"В микромир бы мне пробраться,

В мир незримых величин,

В край, где корни коренятся

Всех последствий и причин;

В царство малых измерений

Вникнуть, где на миллион

Действенных микромгновений

Миг обычный расщеплен".

Вадим Шефнер

Урок 27. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учеников со способами регистрации радиоак­тивных излучений.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: счетчик Гейгера, выпрямитель ВУП-2, громкоговоритель, электросчетчик "Кварц", камера Вильсона. Диафильм "Трековые приборы в ядерной физике", кинофрагмент "Обнаружение радиоактивных излучений".

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 25 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II.. Опрос фундаментальный: Закон радиоактивного распада.

Задачи:

1. Период полураспада радиоактивного элемента 15 суток. За какое время произойдет уменьшение его активности в 4 раза?

2. -• Сколько β-частиц испускает в течение одного часа 1·10^-9 кг изотопа Na²⁴, период полураспада которого равен 15 ч?

3. В некоторый момент времени счетчик радиоактивного излучения, рас­положенный вблизи препарата F¹⁸, зафиксировал 100 отсчетов в секунду. Через 20 мин показание уменьшилось до 87 отсчетов в секунду. Опреде­лите период полураспада радиоактивного изотопа.

4. В начальный момент колония бактерий растет со скоростью, пропор­циональной числу наличных бактерий. Написать дифференциальное урав­нение, выражающее это соотношение. Как изменяется количество бакте­рий с течением времени?

Вопросы:

1. В каких случаях активность радиоактивного препарата можно считать постоянной величиной?

2. Отличается ли активность радиоактивных препаратов, если периоды полураспада радиоактивных ядер относятся как 2:1, а количество ядер как 1:2?

3. Чему, по вашему мнению, равен «период полураспада» населения, проживающего в данной местности. Как он зависит от качества жизни? Остается ли постоянной постоянная распада?

4. Зачем в люминофор, которым покрывают стрелки и шкалы приборов, добавляют немного солей радия?

5. Если бы 1 г радия, который получили супруги Кюри, остался от того радия, который был на Земле в момент её возникновения, то какова была тогда масса радия?

III. Ионизирующее и фотохимическое действие частиц, как основа раз­личных методов их обнаружения.

Счетчик Гейгера 1908 г (пример с машиной на откосе и летящей пулей). Устройство счетчика (рисунок на доске). Счетчик заполняют обычно аргоном при пониженном давлении. Принцип действия. Демонстрация.

Параллельно с громкоговорителем включить электросчетчик. Какие час­тицы может регистрировать счетчик? Можно ли измерить радиоактивность своего тела?

Примерно тогда же Резерфорд создал простейший сцинтилляционный счетчик – покрытый сернистым цинком экран, который под ударами альфа-частиц испускал слабые вспышки света.

Сцинтилляционный счетчик и полупроводниковый счетчик. Спинтарископ.

"Теперь я верю в существование атомов".

Мах

Камера Вильсона 1911 г (по диафильму). Герой мифа о Золотом руне Язон за­сеял по приказанию царя Колхиды Ээта драконовыми зубами поле Ареса. Язона спасла хитрость, когда семена проросли вооруженными войнами. Он бросил камень и, войны перебили друг друга. Ионы те же "камни", на которых начинается конденсация молекул насыщенного пара. Вот почему после росы в воздухе нет пыли и очень мало ионов. Демонстрация с камерой Вильсона. Вдоль трека α-частицы образуется 3· 10⁵ капелек тумана. По сравнению с α-частицами β-частицы образуют более тонкие следы (около 50 ионов на 1 см длины). Можно ли с помощью камеры Вильсона зарегистрировать нейтрон? Для полной обрисовки трека странной частицы со временем жизни порядка 10^-8 с необходима камера в сотни метров длиной.

Метод толстослойных фотоэмульсий (конец 1940 годов). Используемые для ядерной фотогра­фии эмульсии содержат больше бромистого серебра (его концентрация 82% и выше), причем с малыми размерами монокристаллов /0,2 -0,4 мкм/, эмульсионный слой делают толстым (400 - 600 мкм и даже 1-2 мм) без подложки, что дает возможность складывать эти слои в большие стопки. Если обычные стекла облучать, а потом поместить в кислоту, то на поверхности в местах попадания "проявляются" красивые звездные узоры.

Пузырьковая камера (1952 г, Д. Глазер). Цикл приготовления перегретой жидкости занимает около секунды.

Движение частиц в магнитных полях. Как определить направление движе­ния частицы; знак заряда частицы по виду трека? Чем отличаются треки электрона и альфа-частицы?

Искровые камеры (конец 1950 годов). Искровые камеры в тысячи раз опередили пузырьковые камеры и по скорости, и по числу детектируемых частиц.

В 1970 годах их сменили более совершенные аналоги – пропорциональные многопроводные камеры и дрейфовые камеры. Появились полупроводниковые детекторы – кремневые, германиевые. Кремневый детектор (микроскоп) состоит из разделенных узкими промежутками параллельных полос кремния шириной около 100 мкм. Пролетающая заряженная частица оставляет за собой трек из ионизованных атомов, который фиксируют электронные приборы. Удалось зарегистрировать В – мезоны (время жизни порядка 10^-13 с), которые распадаются, пролетев всего 300 мкм.

10 сентября 2008 года в 11 ч 15 мин по московскому времени был осуществлен запуск Большого адронного коллайдера, крупнейшего в мире ускорителя частиц. Чтобы зарегистрировать все рожденные в столкновениях частицы, потребовались детекторы – слоеные цилиндры (один из них имеет длину 46 м, диаметр 25 м и массу 40 т).

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ: Космические лучи открыл в 1912 году австрийский физик Виктор Гесс. Естественный радиоактивный фон был причиной ионизации газов, но ионизация должна уменьшаться с удалением от поверхности Земли. Ответ получился противоположный. Основной компонентой космических лучей оказались протоны с энергией 10¹³ – 10²⁰ эВ и даже выше (в 10⁶ раз больше, чем будет получена в Большом адронном коллайдере). Эти лучи в 10% случаев являются причиной сбоев в работе компьютерной техники и бортовых компьютеров на самолетах и спутниках.

IV. Демонстрация кинофрагмента.

V. § 88

"Если человек горит жаждой познания и проверяет свои рассуждения, сопоставляя их с данными опыта, каждый ученик будет признавать в нем брата по духу независимо от того, насколько малы знания этого человека".

К.С. Пирс

Урок 28. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА "ИЗУЧЕНИЕ ТРЕКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО ГОТОВЫМ ФОТОГРАФИЯМ".

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Научить учеников определять характеристики частиц по фотографиям их треков.

ТИП УРОКА: лабораторная работа.

ОБОРУДОВАНИЕ: фотографии треков, транспортир, калька, линейка.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Краткий инструктаж 5 мин

3. Выполнение работы 30 мин

4. Подведение итогов 5 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. По треку частицы можно определить его кривизну. По известному радиусу кривизны трека можно определив энергию частицы на данном участке ее траектории по формуле:

Сравнивая треки двух частиц, имеющих одинаковые начальные скорости, можно по известным радиусам кривизны треков определить отношение заряда к массе любой из частиц, если это отношение известие для другой частицы:

III. Определение направления движения заряженной частицы и направления индукции магнитного поля. Определение радиуса кривизны трека. Определение энергии частицы. Определение отношения заряда частицы к ее массе.

№	Q,Кл	M,кг	В,Тл	R1,м	R2,м	Е1,Дж	Е2,Дж

IV. Краткое подведение итогов.

V.

"Такая разветвленная цепная реакция напоминает горную лавину, которая начинает нарастать и мощно развивается от ничтожной причины".

Н.И. Семенов

Урок 29. ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА. ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ.

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учащихся с лепной реакцией деления ядер урана и обсудить возможности ее практического использования.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: кододиапозитив, электродинамическая модель "Цепная ядерная реакция", кинофильм "Ядерные реакции", ч. 1.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 25 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II.. Опрос фундаментальный: 1. Счетчик Гейгера. 2. Трековые приборы в ядерной физике.

Задачи:

1. Какова скорость электрона, влетающего в камеру Вильсона перпендикулярно индукции магнитного поля, если радиус трека равен 4 см, а индукция магнитного поля 8,5 мТл?

2. Альфа-частица, вылетевшая из ядра радия со скоростью 15·10⁶ м/с, пролетев в воздухе 3,3 см, остановилась. Найти кинетическую энергию частицы, время торможения и ускорение.

Вопрос:

1. Почему в камере Вильсона летящий протон оставляет видимый след, а летящий нейтрон не оставляет?

2. Какие изменения могут произойти в работе счетчика Гейгера, если балластный резистор заменить другим, имеющим меньшее сопротивление?

III.. Слова Резерфорда о перспективах ядерной энергетики: "Перспективы получения энергии путем искусственного превращения атомов не выглядят многообещающими ".

Бомбардировка ядер атома урана медленными нейтронами. Опыты Ферми (в качестве замедлителя нейтронов Ферми использовал воду). Интерпре­тация опытов Ферми. Нобелевская премия "за открытие радиоактивных элементов, полученных нейтронным облучением, и за связанное с этим открытие ядерных реакций, вызванных медленными нейтронами". Верна только вторая половина!

Фриш и Ган, проведя аналогичные опыты, выделили из урана радиоактив­ные изотопы элементов средней части периодической таблицы. Два месяца спустя Отто Фриш и Лиза Майтнер, на основании опытов Гана, разра­ботали теорию деления ядра урана.

Лиза Майтнер - первая в Германии женщина-физик, смогла получить ученую степень в начале 20-х годов. Название ее диссертации "пробле­мы космической физики" журналисту показалось немыслимым, и в газете было напечатано: "Проблемы косметической физики".

Возможные схемы деления ядра урана: + n МэВ. МэВ.

Радиоактивность осколков деления:

- стабильный.

- стабильный.

"Ядро урана, которое мы предполагаем шарообразным, сплющивается от удара нейтрона, и форма ядра испытывает периодические изменения, в результате чего оно становится менее устойчивым и иногда совсем выходит из равновесия".

Энрико Ферми

Капельная модель ядра. Возбужденное ядро – эллипсоид и при пульсациях его размер превышает критический порог действия ядерных сил (2·10^-15 м).

При делении одного ядра урана в среднем выделяется 200 МэВ энергии. При полном делении всех ядер в 1 г урана-235 выделяется 2,3·10⁴ кВт·ч (такая энергия выделяется при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти). Вероятность различных схем деления. Испускание нейтронов. Энергети­ческий спектр нейтронов. Радиоактивность осколков деления (ошибка Ферми).

Цепная реакция. Понятие коэффициента размножения нейтронов (опреде­ление). Аналогия с размножением человеческого общества: количество браков, удачные и неудачные браки, несчастные случаи. Факторы, определяющие величину коэффициента размножение: деление ядер урана-235 и некоторых ядер урана-238 (только одно из пяти ядер делится), захват нейтронов ядрами урана-238 и другими примесями, выход нейтронов из делящегося вещества наружу. U - делится под действием любых нейтронов. U - "термояд", делится только под действием нейтронов с энергией более 1 МэВ (60% нейтронов имеют такую энергию и только одно из пяти ядер делится). Образование плу­тония. Поскольку в чистом куске урана-235 шарообразной формы число делящихся ядер N_д ~ r³, а число покидающих N_п ~ r², то k ~ r и при радиусе куска 9 см (критическая масса равна 50 кг), k = 1. Используя бериллиевые отра­жатели нейтронов и т.д., ее доводят до 10 кг. Критическая масса плутония-239 - 7 кг, критическая масса калифорния-251 – 10 г. Откуда же берется первый нейтрон при взрыве атомной бомбы (секрет атомной бомбы)?

Два пути к атомному оружию: