План - конспект по физике на тему: "Радиоактивность. Закон радиоактивного распада"
план-конспект урока

Преподаватель: Ракова Н.С. rakovanatasha@yandex.ru

Конспект урока по физике

Дата: 1.06.2020

Группа № 3 специальность «Механизация сельского хозяйства», 1 курс

Тема: «Радиоактивность. Закон радиоактивного распада».

Форма работы: индивидуальная, электронное обучение

Тип урока: урок изучения нового материала

Цель урока:  формирование представлений о радиоактивности; о физической природе и свойствах α-, β-, γ-излучений; углубление знаний учащихся о структуре атома.

Используемая  литература: Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика 11 класс, Издательство Просвещение, 2018

https://uchebnikionline.ru/uchebniki/11-klass/fizika-11-klass-myakishev-buhovcev-charugin

Интернет-ресурсы: презентация на тему «Радиоактивность» «Закон радиоактивного распада»

https://resh.edu.ru/subject/lesson/3889/start/151606/

https://videouroki.net/video/49-zakon-radioaktivnogho-raspada.html

Ход работы

1. Организационный этап. Здравствуйте, ребята! На этом  уроке мы продолжаем изучать атомное ядро и теперь познакомимся с энергией связи атомных ядер.

2. Основной этап

Изучение нового материала

1) История открытия радиоактивности

 Изучая соли урана, французский учёный Анри Беккерель сделал вывод, что соли урана самопроизвольно, без влияния внешних факторов создают какое-то излучение.

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. (Слайды №5,6)

 Беккерель продолжил исследования солей урана, однако он не понимал природы этого излучения. Однажды, демонстрируя своему гостю излучение урановых образцов, он задал ему вопрос в виде просьбы:«Ведь вы физик и химик одновременно. Проверьте, нет ли в этих излучающих телах примесей, которые могли бы играть особенную роль».И этот вопрос стал научной программой исследований молодой четы: Пьера Кюри (1859 – 1906) и его жены Марии Склодовской-Кюри (1867 – 1934). Двумя годами позднее, супруги Пьер и Мария Кюри, доказали, что аналогичным свойством обладает химический элемент торий Th-232 . Затем они же открыли новые, ранее неизвестные элементы – полоний Po-209 и радий Ra-226. 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.

Английский физик Эрнест Резерфорд проводит эксперименты по изучению радиоактивного излучения.

Установка состояла из толстостенного свинцового ящика внутрь которого помещались крупицы урановой соли. Из ящика сквозь узкое отверстие выходил направленный и сфокусированный пучок радиоактивного излучения и попадал на фотопластинку. После проявления фотопластинки на ней обнаруживалось одно тёмное пятно в том месте, куда попадал пучок.

Однако оказалось, что если пропустить излучение урана через магнитное поле, то излучение разделяется на два компонента, которые позже были названы альфа- и бета-лучами согласно первым буквам греческого алфавита.

В 1900 году Беккерель первым измерил (приблизительно) отношения заряда к массе бета-частиц и установил, что оно такого же порядка, как и для частиц катодных лучей. Проще говоря, бета-лучи являются потоком электронов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. В магнитном поле пучок излучения распадался на 3 пучка. Две составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны.

Но вернёмся к опытам по исследованию радиоактивности. В 1900 году французский физик Поль Вийяр при исследовании отклонение альфа- и бета-лучей в излучении радия обнаружил и третий, ранее неизвестный вид лучей, не отклоняющихся даже в самых сильных магнитных полях.

Вийяр был скромным человеком, и не предложил конкретного названия для излучения, которое он обнаружил. Поэтому в 1903 году Эрнест Резерфорд предложил назвать лучи Вийяра гамма-лучами, потому что они были гораздо более проникающими, чем альфа- и бета-лучи, открытые им ранее.

   - бета - распад

Поль Вийяр также показал, что открытый им вид излучения характеризуется чрезвычайно малой длиной волны и, вследствие этого, обладает ярко выраженными корпускулярными свойствами. В дальнейшем было доказано, что гамма-излучение представляет собой поток фотонов, имеющих высокую энергию.

 - гамма - распад

Труднее всего было выяснить природу альфа-частиц, так как они слабее отклоняются магнитным и электрическим полями. Окончательно эту задачу удалось решить Резерфорду в 1913 году. Для начала он смог измерить отношение заряда частицы к её массе по отклонению в магнитном поле. Оно оказалось примерно в два раза меньше, чем у протона — ядра атома водорода. Отсюда следовало, что у альфа-частицы на один элементарный заряд приходится масса, равная двум атомным единицам массы.

Затем Резерфорд поместил на пути частиц счётчик Гейгера и с его помощью измерил число частиц, испускаемых радиоактивным препаратом за определённое время.

Затем он поставил на место счётчика металлический цилиндр, соединённый с чувствительным электрометром. С помощью электрометра учёный мог измерить заряд частиц, испущенных источником внутрь цилиндра за такое же время, так как радиоактивность многих веществ почти не меняется со временем. Зная суммарный заряд альфа-частиц и их число, Резерфорду не составило труда определить заряд одной альфа-частицы. Он оказался равным двум элементарным. Собрав результаты трёх опытов воедино, учёный установил, что на два элементарных заряда альфа-частицы приходится четыре атомные единицы массы. Такой же заряд и такую же относительную атомную массу имеет ядро гелия. То есть альфа-частица — это ядро атома гелия, потерявшее два своих электрона.

Следовательно, продуктом распада материнского ядра оказывается элемент, зарядовое число которого на две единицы меньше, а массовое число на четыре единицы меньше, чем у материнского ядра:

 - альфа - распад

В том же году американцем Казимиром Фаянсом и англичанином Фредериком Содди особенности альфа- и бета-распада были сведены в общее правило — правило смещения: при α-распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает примерно на 4 а. е. м. В результате элемент смещается на две клетки к началу Периодической системы. При β−-распаде элемент смещается на одну клетку ближе к концу, а при β+-распаде — на одну клетку ближе к началу Периодической системы.

2) Основные термины

Радиоактивность – это способность нестабильных ядер превращаться в другие ядра, при этом процесс превращения сопровождается испусканием различных частиц.

Радиоактивность  -самопроизвольное превращение ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов, сопровождаемое испусканием различных частиц или ядер.

Естественная радиоактивность – самопроизвольный распад нестабильных ядер.

Виды радиоактивного излучения - альфа-, бета-, гамма- лучи.

Альфа – лучи это поток положительных частиц, масса и заряд которых совпадает с массой и зарядом ядра атома гелия.

Бета – лучи это поток электронов.

Гамма – лучи это электромагнитные волны высокой частоты, распространяющиеся со скоростью 300000 км/с.

Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина начального числа радиоактивных атомов.

Период полураспада – основная величина, определяющая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем быстрее уменьшается активность вещества.

Закон радиоактивного распада определяет среднее число ядер атомов, распадающихся за определённый интервал времени.

Газоразрядный счётчик Гейгера – это прибор для автоматического подсчёта частиц.

Камера Вильсона – устройство, в котором пролетевшая частица оставляет след - трек. По следу определяют скорость, энергию, заряд, массу частицы.

Пузырьковая камера – прибор, в котором рабочим телом является перегретая жидкость. Трек частицы – основной источник информации о поведении и свойствах частиц.

Метод толстослойных фотоэмульсий – метод, в котором используется ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки.

Изотопы – разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа.

Итак, количество активных ядер зависит от начального количества ядер и экспоненциально убывает с течением времени. Для упрощения этого уравнения, Резерфорд предложил ввести такое понятие как период полураспада. Периодом полураспада данного радиоактивного вещества называется промежуток времени, за который количество исходных ядер уменьшается в два раза.

Рассмотрим функцию в момент времени, равный периоду полураспада. По определению периода полураспада, в этот момент времени, количество распавшихся ядер будет равно половине исходного количества ядер.

Периоды полураспадов различных элементов сведены в таблицы, поэтому, используя эту функцию очень легко найти количество оставшихся активных ядер в определенный момент времени.

Упражнения.

Задача 1. Закончите реакции. Найдите недостающие элементы и определите тип реакции.

Задача 2. При a-распаде  образовалось 100 г некоторого вещества. Найдите массу этого вещества через трое суток.

Основные выводы:

– Существуют три вида радиоактивных излучений: a-распад, b-распад и g-излучение.

– a-распад характеризуется испусканием a-частиц, то есть ядер гелия два четыре .

– b-распад характеризуется испусканием электрона и антинейтрино.

– При g-излучении ядро не претерпевает никаких изменений. Изменяется только состояние ядра и это изменение сопровождается испусканием гамма-кванта.

– В общем случае, a- и b-распад описывается правилом смещения, которое было сформулировано Фредериком Содди: при a-распаде ядро теряет положительный заряд 2е и его масса убывает примерно на 4 а.е.м. В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы. При b-распаде ядро приобретает положительный заряд равный е, в результате чего смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы. При радиоактивном распаде сохраняется суммарный электрический заряд и приближенно сохраняется относительная масса ядер.

– Законом радиоактивного распада определяется число оставшихся активных ядер в определенный момент времени.

– Период полураспада – это промежуток времени, за который количество активных ядер уменьшается вдвое. Исходя из этого, можно вывести другую формулу описывающую закон радиоактивного распада.

Домашнее задание: запишите определения основных терминов, формулы для распадов и перечертите установку.