Радіоактивність. Радіоактивне випромінювання.

Мета.

Навчальна. Розкрити історичні передумови відкриття природної радіоактивності; сприяти формуванню знань про явище радіоактивності, його види, властивості та механізм випромінювання.

Розвиваюча. Розвивати цікавість до експерименту та  фізики - як науки про природу.

Виховна. Виховувати ціннісне ставлення до природи та  безпечного життя людини на планеті.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Фізика: підруч. для 9 класу  Бар’яхтар В. Г., Довгий С. О., Божинова Ф. Я., <<Читати онлайн>>
• Таблиця. Періодична система хімічних елементів Д. І.  Менделєєва
• Відео. Марія Склодовська-Кюрі

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Радіоактивність. Радіоактивне випромінювання.
3. Запитання до уроку.
4. Домашнє завдання.
5. Перевір себе.
6. Для допитливих.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Радіоактивність. Радіоактивне випромінювання.

Відкриття, зроблені наприкінці 19-го і на початку 20-го століття, заклали основу нових і зовсім несподіваних уявлень про будову нашого світу. Для фізики найбільш важливим з них було відкриття радіоактивності 1896 року.

Послідовне вивчення радіоактивності дозволило вченим “зазирнути” всередину атомів, відкрити закони, що діють у світі атомів. У результаті відкрилася можливість створити нові джерела енергії, матеріали з незвичайними властивостями та сучасні комп’ютери; встановити вік Землі, хімічний склад зірок і причину їхнього тривалого випромінювання, висунути гіпотези про походження й майбутнє Всесвіту.

Історія відкриття радіоактивності. У ХХІ ст. навряд чи знайдеться людина, яка хоча б раз у житті не робила рентгенівський знімок.

Наприкінці ж ХІХ ст. зображення кисті людини з видимою структурою кісток обійшло шпальти газет усього світу й стало справжньою сенсацією для фізиків. Вчені розпочали дослідження рентгенівських променів та пошук їхніх джерел. Одним із таких учених був французький фізик А. Беккерель.

        З відкриттям рентгенівських променів почалася історія й відкриття радіоактивності, і допоміг у цьому випадок. Поштовхом до досліджень стало припущення вчених, що рентгенівські промені  можуть виникати під час короткочасного світіння деяких речовин, опромінених перед тим сонячним світлом (таке світіння називається флуоресценцією). До таких речовин належать, наприклад, деякі солі Урану. Такою сіллю і скористався А. Беккерель, щоб перевірити зазначене припущення.

Учений узяв крупинки уранової солі, поклав їх на загорнуту в чорний папір фотопластинку й на кілька годин виніс увесь пристрій на яскраве сонячне світло. Після проявлення на фотопластинці з’явилися темні плями саме в тих місцях, де лежала уранова сіль. Тобто з’ясувалося, що уранова сіль дійсно випускає випромінювання, яке проходить крізь чорний папір і діє на фотопластинку. Беккерель вирішив продовжити свої дослідження й підготував дослід, який дещо відрізнявся від попереднього. Проте вченому завадила похмура погода, і він з жалем поклав готову до досліду фотопластинку з урановою сіллю та мідним хрестом між ними у шухляду стола. Через кілька днів, так і не дочекавшись появи сонця, вчений вирішив на всяк випадок проявити фотопластинку. Результат виявився несподіваним: на пластинці з’явився контур хреста. Тож сонячне світло тут ні до чого і сіль Урану сама, без впливу зовнішніх факторів, випускає невидиме випромінювання. Так у 1896 р. Анрі Беккерель відкрив, що уранові з'єднання постійно випускають випромінювання, здатне засвічувати фотографічну пластинку та виявив, що випромінювання, яке випускається ураном, підвищує електропровідність повітря поблизу препаратів.

Вибравши це явище темою своєї докторської дисертації, молода польська студентка фізичного факультету Сорбонни, Марія Кюрі (Склодовська) стала з'ясовувати, чи не випромінюють інші з'єднання «промені Беккереля».

 Незабаром Марія Кюрі прийшла до висновку, що тільки уран, торій і з'єднання цих двох елементів випускають “випромінювання Беккереля”, яке вона пізніше назвала радіоактивністю.

Радіоактивність - це явище спонтанного (самочинного) перетворення нестійких ядер одного елемента на ядра іншого елемента, яке супроводжується випромінюванням різних частинок і електромагнітних хвиль. Речовини, які випускають таке випромінювання називають радіоактивними елементами, або радіонуклідами.

Марія на самому початку своїх досліджень зробила важливе відкриття: уранова руда електризує навколишнє повітря набагато сильніше, ніж сполуки урану і торію, що містяться в ній, і навіть ніж чистий уран. З цього спостереження вона зробила висновок про існування в урановій руді ще невідомого сильно радіоактивного елементу. У 1898 році Марія Кюрі повідомила про результати своїх експериментів Французьку академію наук. Переконаний в тому, що гіпотеза дружини не тільки вірна, але і дуже важлива, П’єр Кюрі залишив свої власні дослідження, щоб допомогти Марії виділити невловимий елемент. У липні 1898 року подружжя Кюрі опублікували статтю «Про радіоактивну речовину, що міститься в урановій смоляній обманці», в якій повідомляли про відкриття одного з елементів, названого полонієм на честь батьківщини Марії Склодовської. У грудні вони оголосили про відкриття другого елементу, який назвали Радієм. Зазначені елементи були виділені з природних мінералів, тому їх називають природними радіоактивними елементами. Радіоактивними є всі елементи з порядковим номером більше 83 в таблиці Менделєєва (Z > 83), а також окремі ізотопи більш легких елементів.

Згодом навчилися отримувати штучні радіоактивні ізотопи. Зараз майже для кожного елемента (навіть не радіоактивного) одержано кілька радіоактивних ізотопів.

Відео. Марія Склодовська-Кюрі

Дослідження складної будови радіоактивного випромінювання. Ще до завершення своїх досліджень подружжя Кюрі спонукали інших фізиків також займатися вивченням радіоактивності. У 1899 р. Ернест Резерфорд досліджував проходження променів, відкритих Беккерелем, крізь сильне магнітне поле. На малюнку зображено схему одного з таких дослідів.

У свинцевому контейнері (1) з невеликим отвором розміщували радіоактивну речовину (2). Пучок радіоактивного випромінювання, що виходив з отвору, спочатку потрапляв у сильне магнітне поле постійного магніту (3), а потім на фотопластинку (4), розміщену напроти отвору.

Після проявлення фотопластинки на ній було чітко видно три темні плями. Це означає, що у магнітному полі радіоактивне випромінювання розділилося на три складові. Їх було названо  (альфа)-випромінювання, (бета)-випромінювання та (гамма)-випромінювання.

Найбільший внесок у вивчення -випромінювання зробив Е. Резерфорд. Учений одним із перших з’ясував, що -випромінювання - це потік позитивно заряджених частинок (так званих -частинок), модуль заряду яких вдвічі більший за модуль заряду електрона.

Щоб встановити природу -частинок, Резерфорд використав спеціальний пристрій.

Основний елемент пристрою - колба А, заповнена радоном, - газом який випромінює -частинки. Колбу А було виготовлено з високоякісного і дуже тонкого скла (його товщина приблизно дорівнювала діаметру людської волосини). Скло з такими характеристиками, з одного боку, надавало можливість -частинкам “протиснутись” у колбу В, а з іншого - було надійною перешкодою для молекул радону.  Зробивши аналіз речовини, яка з часом накопичилася у колбі В, Резерфорд з’ясував, що це гелій. Знаючи, що до колби В могли потрапити тільки -частинки і що вони мають позитивний заряд, учений зробив висновок, що -частинки - це позитивні іони Гелію.

Після того як була запропонована ядерна модель будови атома, стало зрозумілим, що - частинки - це ядра атомів Гелію.

-складова радіоактивного випромінювання, як і -складова, відхиляється магнітним полем, але у протилежний бік. З цього можна зробити висновок, що -випромінювання - теж потік заряджених частинок (так званих -чатинок), але таких, що мають негативний заряд. Для ідентифікації цих частинок були визначені їхні заряд і маса. Виявилося, що -випромінювання - це потік електронів, які летять із величезною швидкістю (наближеною до швидкості світла).

Як з ядра можуть випромінюватися електрони?

Згідно з планетарною будовою атома ядро складається з протонів і нейтронів. Дослідження показали, що нейтрон має складну структуру та за певних обставин перетворюється на протон+електрон+антинейтрино. В результаті експериментів із - променями було отримано дані для побудови квантової механіки, на якій ґрунтуються сучасні уявлення про структуру речовини.

У 1900 р. французький учений П. Війяр показав, що існує і третя складова випромінювання Урану із незвичайною проникною здатністю, що не відхиляється у магнітному полі. За аналогією із двома попередніми складовими її було названо третьою буквою грецького алфавіту - -випромінюванням. Вивчення -випромінювання показало, що -, рентгенівське, ультрафіолетове, інфрачервоне випромінювання й видиме світло - “близькі родичі”:  всі ці види випромінювання - електромагнітні хвилі. До того ж виявилося, що ці види випромінювання можна розглядати як потік нейтральних частинок, які рухаються в просторі зі швидкістю світла. Однак енергія частинок кожного типу випромінювання відрізняється за значенням. Найменшу енергію мають частинки інфрачервоного випромінювання, енергія видимого світла дещо більша. Частинки ультрафіолетового випромінювання мають же досить велику енергію, щоб почати руйнувати поверхню, на яку вони падають. Тому, наприклад, опромінювати шкіру ультрафіолетом можна тільки протягом невеликого часу.

Набагато більшу енергію, ніж частинки ультрафіолетового світла, мають частинки рентгенівського випромінювання. Відповідно більші його проникаюча та руйнівна властивості. Тому рентгенівське обстеження, яке триває усього кілька секунд, не рекомендують проводити частіше одного разу на рік.

-випромінювання за рахунок великої енергії може вільно проникати не тільки крізь людське тіло, але й крізь метали. Цією обставиною скористалися конструктори, створивши пристрої для просвічування, наприклад, автомобілів. Такі пристрої використовують прикордонники та митники для виявлення наркотиків, вибухівки  та ін.

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 50.1. З вузького каналу, на дні якого знаходиться радіоактивний препарат, виходить радіоактивне випромінювання, яке в магнітному полі розбивається на три пучки. Визначте яке випромінювання зображено на малюнку під номером 1, 2, 3?

4. Запитання до уроку.

Запитання 50.1. Як і ким було відкрите явище радіоактивності? Який внесок зробили подружжя Марія та П’єр Кюрі у вивчення радіоактивного випромінювання?

Запитання 50.2. Що таке радіоактивність? Які речовини називають радіоактивними?

Запитання 50.3. Опишіть процес дослідження складної будови радіоактивного випромінювання.

Запитання 50.4. Якою є природа -частинок, -частинок, -випромінювання?

Запитання 50.5. Якщо на шляху радіоактивного випромінювання, що виходить з контейнера з радіоактивним радієм, створити магнітне поле, то відбудеться розділення протилежно заряджених - і -частинок. Усередині джерел струму також відбувається розділення протилежних зарядів. Чи можна вважати установку, яку зображено на рисунку, джерелом струму?

Запитання 50.6. Дві металеві пластини помістили на шляху радіоактивного випромінювання в магнітному полі так, що на одну пластинку потрапляють -частинки, а на іншу - -частинки. Що покаже гальванометр, якщо його з’єднати з пластинками?

Запитання 50.7. Як поводитиметься стрілка електроскопа, якщо усередину кулі електроскопа спрямувати -випромінювання?

Запитання 50.8. На шляху радіоактивного випромінювання створили магнітне поле. Як визначити напрям відхилення - та -випромінювання.

Запитання 50.9. Як поводитиметься стрілка електроскопа, якщо усередину кулі електроскопа спрямувати -випромінювання?

Запитання 50.10. Чи зміниться поведінка стрілки електроскопа, якщо на кулю спрямувати -випромінювання?

5. Домашнє завдання.

Підручник:  § 23.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

Тестування. Радіоактивне випромінювання. Відповіді учнів

6. Перевір себе.

7. Для допитливих.