Тема урока: Естественная радиоактивность.

Методы регистрации элементарных частиц.

Цели урока:

-       углубить знания обучающихся о структуре атома; сформировать представление о радиоактивности, физической    природы α-, β-, γ-излучений.

-       способствовать формированию умения анализировать, сравнивать, обобщать факты;

-       формировать основы диалектико-материалистического мировоззрения расширять кругозор обучающихся;

-       воспитывать внимательность, самостоятельность, интерес к физике.

Задачи урока:

1.     Проследить историю открытия радиоактивности, её физическую сущность.

2.     Знать процессы α-, β-распада и γ-излучения.

3.     Усвоить правила смещения.

4.     Иметь представление о методах регистрации элементарных частиц.

Тип урока: урок усвоения новых знаний.

Оборудование: ноутбук, компьютерная презентация урока, счетчик Гейгера, камера Вильсона.

Ход урока.

1.     Организационный момент.

1) Приветствие.

2) Проверка готовности обучающихся к работе.

3) Организация внимания.

4) Сообщение темы и целей урока.

2.     Изучение нового материала.

Историческая справка.

Сто лет назад, в феврале 1896 года, французский физик Анри Беккерель обнаружил самопроизвольное излучение солей урана ²³⁸U. 26-27 февраля 1896 года Беккерель приготовил несколько образцов кристаллов и прикрепил их к завернутым в бумагу фотопластинкам. Однако в эти дни стояла пасмурная погода, и Беккерель решил отложить опыт. Он считал, что ему необходим яркий солнечный свет. Пластинки были спрятаны в ящик стола и пролежали там около трех дней.

Лишь 1 марта, Беккерель решил их проявить, ожидая в лучшем случае, увидеть слабые изображения. Но все оказалось наоборот: изображения были очень четкими. Таким образом, какое-то излучение испускалось солями урана безо всякого освещения светом. Беккерель продолжил исследования солей урана, однако он не понимал природы этого излучения.

Двумя годами позднее, супруги Пьер и Мария Кюри, доказали, что аналогичным свойством обладает химический элемент торий ²³²Th. Затем они же открыли новые, ранее неизвестные элементы – полоний ²⁰⁹Po и радий ²²⁶Ra.

Радий – редкий элемент; чтобы получить 1 грамм чистого радия, надо переработать не менее 5 тонн урановой руды; его радиоактивность в несколько миллионов раз выше радиоактивности урана.

Впоследствии было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными.

Супруги Кюри, явление самопроизвольного излучения назвали радиоактивностью.

И в 1903 году Эрнест Резерфорд проделав опыт обнаружил три пятна, от испускаемых веществом трех лучей, которые отличаются друг от друга разной способностью проникать сквозь вещества. Их назвали α-, β-лучами и γ-излучением.

Итак, сегодня на уроке нам предстоит познакомится с α-, β-лучами и γ-излучением.

Превращение атомных ядер сопровождается испусканием α-,β-лучей, которое называется α-, β-распадом соответственно.

Эти два распада подчиняются правилам смещения, которые впервые сформулировал английский ученый Содди:

Ø 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:

Ø При β-распаде из ядра вылетает электрон, что увеличивает заряд ядра на 1. масса же остается почти неизменной.

В результате β-распада элемент смещается на одну клетку к концу периодической таблицы Менделеева.

Ø γ-излучение – не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.

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.

Счётчик Гейгера – самый распространённый прибор для регистрации элементарных частиц. Действие основано на ударной ионизации.

Представлен стеклянной колбой покрытой изнутри слоем металла. Вдоль неё тянется тонкая токопроводящая нить. Внутри корпуса закачан инертный газ. Пролетающая сквозь газ частичка «отрывает» от его атомов электроны.

Вследствие появляются свободные носители зарядов и положительно заряженные ионы. Поле между катодом и анодом разгоняет электроны, вызывающие лавинообразную ударную ионизацию. В результате растёт электрический ток, который регистрирует нагрузочный резистор R. Он генерирует импульсы напряжения и отправляет их на регистрирующий прибор.

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.

Следующий метод наблюдения элементарных частиц основывается на образовании капель жидкости из ионов перенасыщенных паров. В герметичном сосуде посредством движения поршня образовывается перенасыщенный пар. Даже одна элементарная частица способна вызвать конденсацию на пути перемещения. Трек видим на протяжении 0,1 с. После электрическое поле устраняет ионизацию. Камера предоставляет информацию об энергии и скорости ЭЧ

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. Жидкий пропан или водород накачаны в камеру под давлением при температуре выше точки кипения. После резкого снижения давления вещество переходит в неустойчивое состояние. На пути пролёта элементарной частицы – в центрах ионизации перегретой жидкости – появляются микроскопические пузыри пара.

Из-за высокой плотности жидкости длина треков весьма ограничена – элементарные частицы погрязают в веществе, что дарит возможность наблюдать сразу несколько взаимодействий ЭЧ с веществом. Эффект обладает завораживающим действием для наблюдателя.

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.

Фотоэмульсия включает множество кристаллов бромида серебра. Элементарная частица с зарядом, проходящая сквозь кристалл, выбивает из него электрон. Несколько заряженных кристаллов образуют скрытую картинку. В процессе проявления изображения серебро восстанавливается, делая траекторию пролёта частицы видимой. Трек позволяет оценить её массу и энергетический потенциал. 

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.

Метод позволяет наблюдать взаимодействие между атомными ядрами и ЭЧ. Сегодня широкое применение нашли полупроводниковые детекторы, ре­гистрирующие α-, β-частицы и γ-излучения.

3.     Закрепление новых знаний

Ответить на вопросы:

1.     Что представляют собой α-лучи? (α-лучи – это поток частиц, представляющих собой ядра гелия.)

2.     Что представляют собой β-лучи? (β-лучи – это поток электронов, скорость которых близка к скорости света в вакууме.)

3.     Что представляет собой γ-излучение? (γ-излучение – это электромагнитное излучение, частота которого превышает частоты рентгеновского излучения.)

4.     Что такое радиоактивность? (самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие называется естественной радиоактивностью.)

1)    Выполнить упражнения:

ВАРИАНТ 1.

1. Написать реакцию α-распада магния ²² ₁₂Mg  .

2. Написать реакцию β-распада натрия ²² ₁₁Na .

ВАРИАНТ 2.

1. Написать реакцию α-распада урана  ²³⁵ ₉₂U.

2. Написать реакцию β-распада плутония  ²³⁹ ₉₄Pu .

4.     Подведение итогов урока.

5.     Домашнее задание: проработать §§ 82, 83, 86, Мякишев Г.Я. Физика. 11класс. Учеб. для общеобразоват. организаций: базовый уровень / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин; под ред. Н.А. Парфентьевой – М.: Просвещение, 2016. – 432 с.: ил. – (Классический курс).