Использование цифровых образовательных ресурсов при изучении атомной физики и физики атомного ядра. (
advertisement
Использование цифровых образовательных ресурсов при изучении атомной физики и физики атомного ядра. (Фёдорова Надежда Яковлевна, учитель физики МАОУ «Гимназия «Новоскул» Великий Новгород) Содержание работы. 1. Введение. 2. Методика изучения атомной физики. 3. Методика изучения физики атомного ядра и элементарных частиц. 4. Список литературы, используемой в работе. 5. Список электронных учебных изданий по физике, используемых в работе. 6. Приложение. 1. Введение. Физика атома и атомного ядра является заключительным разделом в школьном курсе физики. Он призван систематизировать и обобщить огромный багаж знаний по строению вещества, накопленных учащимися на протяжении всего курса физики и химии (таблица). 7 класс (физика) по программе С.В.Громова Первоначаль ные сведения о строении вещества 8 класс (химия) по программе О.С.Габриэляна Электронные оболочки атомов. Периодический закон Д.И.Менделеева. Состояние электронов в атомах. Химическая связь и структура электронного «облака». Кристаллическая решетка. Состав ядра. Изотопы. Превращение химических элементов. 9 класс (физика) по программе С.В.Громова Делимость электрического заряда. Электрон. Радиоактивность. Альфа-, бета- и гамма-излучения. Методы наблюдения и регистрации частиц в ядерной физике. Опыты по рассеянию альфачастиц. Планетарная модель атома. Атомное ядро. Протоннонейтронная модель ядра. Заряд ядра. Массовое число ядра. Ядерные реакции. Деление и синтез ядер. Сохранение зарядового и массового числа при ядерных реакциях. Энергия связи частиц в ядре. Выделение энергии при делении и синтезе ядер. Использование ядерной энергии. Дозиметрия. 10 класс (физика) по программе Г.Я. Мякишева Электропровод имость вещества. Электролиз. Значение элементарного заряда. 11 класс (физика) по программе Г.Я. Мякишева Оптические спектры атомов. Стационарные состояния атомов. Квантовая теория строения атомов. Энергетические уровни. Экспериментальные обоснования квантовой теории. Ядерная физика. Должны быть раскрыты важные диалектические выводы о качественном своеобразии законов микромира и их познаваемости, учащиеся должны получить представление об идеях квантовой теории. Квантовая механика не отвергает полностью классические понятия в применении к микрообъектам, а указывает границы применимости этих понятий. Данный раздел приобретает большое значение в формировании научного мировоззрения учащихся, в раскрытии современной физической картины мира. В процессе преподавания физики атома и атомного ядра можно показать познаваемость мира на всех уровнях, неисчерпаемость материи, качественное своеобразие её свойств в макро- и микромире, диалектическое соотношение абсолютной и относительной истины, являющейся отражением объективной истины. Физика атома и атомного ядра, или, как сейчас принято говорить, физика высоких энергий, является в настоящее время передним краем физической науки. Однако изучение этого раздела представляет значительные трудности. Первая из них связана с тем, что физика атомного ядра и элементарных частиц представляет собой физику наших дней в буквальном смысле этого слова, и отсутствие последовательной «окончательной» теории ядерных сил и элементарных частиц приводит к необходимости изучать этот раздел физики на уровне, близком к эмпирическому. Вторая трудность изучения этого раздела в школе носит сугубо практический характер. Физика ядра и элементарных частиц изучается в конце всего школьного курса физики, когда подготовка к выпускным экзаменам «оказывает давление» и на учителя и на учащихся. В этих условиях особенно важно правильно отобрать минимум материала, с которым при всех условиях учащиеся должны быть ознакомлены. Третья сложность обусловлена тем, что ограничен демонстрационный и лабораторный эксперимент ввиду невозможности пользоваться в школьных условиях радиоактивными препаратами. Нельзя показать также различные установки и механизмы, применяемые в ядерной физике. Поэтому особое значение приобретает использование компьютера на уроках физики. Компьютер с успехом может заменить телевизор и кинопроектор, таблицы, плакаты, калькулятор и многое другое. Анализ содержания и возможностей программно-методических мультимедийных средств обучения по физике, представленных на образовательном рынке России показал, что многие из них могут быть с успехом включены в практику традиционного преподавания и в систему дидактического обеспечения разнообразных видов учебной деятельности школьников. Многие объекты виртуальной среды могут использоваться как наглядные средства при изложении учителем различных вопросов учебной программы по физике. Использование компьютера на уроках оправдано прежде всего в тех случаях, в которых он обеспечивает существенное преимущество по сравнению с традиционными формами обучения, например, использование интерактивных моделей, которые позволяют имитировать физические явления, эксперименты или идеализированные ситуации, встречающиеся в задачах. Компьютерные модели чрезвычайно удобно использовать прежде всего в демонстрационном варианте при объяснении нового материала или при решении задач. Таким образом, использование учителем мультимедийной техники на уроках физики способствует - эффективному усвоению учащимися учебного материала; - помогает сделать процесс обучения разнообразным и увлекательным; - аудивизуальное представление материала обеспечивает учащимся возможность восприятия информации на зрительном, слуховом и эмоциональном уровне Кроме того, сейчас, когда происходит постепенное снижение интереса большинства школьников к физике, а на производстве используют новые по принципу действия, возможностям приборы и технологии использование компьютера на уроках оказывает огромное воспитательное воздействие на учащихся, т.к.: - возможности компьютера привлекают учащихся, активизируют их творческий потенциал; - красочность компьютерной графики позволяет лучше развивать наглядно-образное мышление; - для сегодняшнего подростка экран монитора - самое притягательное «окно в мир». В данной работе представлена методика изучения физики атома и атомного ядра, где я осуществила попытку сочетания традиционного похода к изучению данной темы с использованием современных компьютерных технологий. Я использую возможности компьютера и мультимедийного проектора при объяснении материала и при решении задач с помощью компьютерных моделей. К сожалению, материально-техническое обеспечение моего образовательного учреждения не позволяет мне организовать самостоятельную работу учащихся на компьютере на уроках физики и осуществлять проверку знаний учащихся в интерактивном режиме. Поэтому проверка знаний учащихся представлена в работе в традиционной форме: тесты, самостоятельная и контрольная работы. 2. Методика изучения атомной физики. Поурочное распределение материала может быть следующим (4 часа в неделю). Атомная физика (7 часов). Основные знания: 1. Ядерная модель атома. 2. Опыт Резерфорда. 3. Квантовые постулаты Бора. 4. Модель атома водорода Бора. 5. Вынужденное излучение. 6. Лазеры. 7. Вклад русской школы физиков в создание и использование лазеров. Основные умения: 1. Р/з на постулаты Бора. 1-2 (91-92) Строение атома. Опыты Резерфорда. 3-4 (93-94) Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору. Трудности теории Бора. Решение задач на постулаты Бора. 5-6 (95-96) Вынужденное излучение. Лазеры. 7 (97) Самостоятельная работа по теме: «Постулаты Бора» § 94, упр.13 №1-2 § 95 -96, упр.13 №3 § 97, подготовка сообщений Урок1-2. Повторение вопросов физики и химии, связанных со структурой атома. Строение атома. Опыты Резерфорда. Для лучшего усвоения учащимися материала перед рассмотрением опыта Резерфорда необходимо, опрашивая учащихся, восстановить полученные ими в курсе химии и физики знания по данному вопросу. Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества возникло ешё в античные времена, но только в 18 веке трудами А.Лавуазье, М В Ломоносова и других ученых была доказана реальность существования атомов. Но вопрос об их внутреннем устройстве даже не возникал, и атомы по-прежнему считались неделимыми частицами. В 19 веке изучение атомистического строения вещества существенно продвинулось вперед. В 1833 году при исследовании явления электролиза М.Фарадей установил, что ток в растворе электролита - это упорядоченное движение заряженных частиц – ионов. Фарадей определил минимальный заряд иона, который был назван элементарным электрическим зарядом. Приближенное значение которого оказалось равным 1,60∙10-19Кл. На основании исследований Фарадея можно было сделать вывод о существовании внутри атомов электрических зарядов. Большая заслуга в формулировке научной атомной гипотезы принадлежит выдающемуся русскому химику М.В.Ломоносову. В высказываниях Ломоносова в общей форме содержались положения: атом характеризуется определенной массой, атом обладает определенными химическими свойствами, атомы соединяются в молекулы в определенных количественных отношениях, свойства молекулы зависят не только от числа различных составляющих её атомов, но и от их порядка, от структуры молекулы. Точная формулировка и экспериментальное обоснование этих положений потребовали вековой работы химиков. В 1869 году Д.И.Менделеев открыл периодический закон. Он писал, что «…если все элементы расположить в порядке по величине их атомного веса, то получится периодическое повторение свойств...». Периодический закон и его выражение – периодическая система элементов Д.И.Менделеева – являются гениальным обобщением химической науки и теоретической основой изучения строения вещества. Необходимо показать учащимся периодическую систему элементов, и обратить внимание на то, что: - после создания периодической системы она не изменялась, а только дополнялась. - некоторые из элементов, неизвестные к моменту создания периодической системы (например, галлий, германий, скандий), были предсказаны Д.И.Менделеевым. - Д.И.Менделеев указывал: «…мы, говоря об атомах, не будем под этим словом подразумевать то, что подразумевали метафизики, не нечто неделимое, а то, что при данных условиях представляется неделимым». Важным свидетельством сложной структуры атомов явились спектроскопические исследования, которые привели к открытию линейчатых спектров атомов. В начале 19 века были открыты дискретные спектральные линии в излучении атомов водорода в видимой части спектра, и впоследствии были установлены математические закономерности, связывающие длины волн этих линий (И.Бальмер, 1885 год). Далее необходимо вспомнить с учащимися явление радиоактивности и виды радиоактивных излучений. Механизм радиоактивного распада и его законы целесообразно изучать позже, после ознакомления со строением и свойствами ядра. В 1896 году А.Беккерель обнаружил явление испускания атомами невидимых проникающих излучений, названное радиоактивностью. В последующие годы явление радиоактивности изучалось многими учеными (М.Склодовская – Кюри, П. Кюри, Э. Резерфорд и др.). Было обнаружено, что атомы радиоактивных веществ испускают три вида излучений различной физической природы ( альфа-, бета- и гамма лучи). Более подробно останавливаются на свойствах альфа частиц: - они представляют собой дважды ионизованные атомы гелия - их масса равна 4,002 а.е.м.=6,6∙ 10-27кг, т.е. она примерно в 8000 раз больше массы электрона - их заряд равен 2е, где е - заряд электрона(1,6∙10-19Кл) - скорость при радиоактивном распаде достигает 20∙106км/с. В 1897 году Дж. Томсон открыл электрон и измерил отношение е/m заряда электрона к массе. Опыты Томпсона подтвердили вывод о том, что электроны входят в состав атомов. Таким образом, на основании всех известных к началу 20 века экспериментальных фактов можно было сделать вывод о том, что атомы имеют сложное внутренне строение. Изучение опыта Резерфорда целесообразно начать с демонстрации фрагмента урока «Опыты Резерфорда » [ 6 ], в котором показывается первая попытка создания модели атома, принадлежащая Дж. Томсону (1903 год), рассказывается об опыте Резерфорда. На основе просмотра учащиеся усвоят общую идею опыта. Затем необходимо рассмотреть схему опыта Резерфорда более детально (используя проекцию рис. 6.1.2. из [ 1 ] и обратить внимание учащихся на два факта: 1) большое число альфа-частиц проходит через тонкую фольгу металла не отклоняясь; 2) отдельные частицы (примерно 1 частица из 8000) испытывают очень большое отклонение на 90-150º. Знакомить учащихся с количественной теорией Резерфорда рассеяния альфа-частиц, позволившей сделать определенные выводы о структуре атома, в средней школе не представляется возможным. Однако желательно дать им почувствовать, как анализ результатов опыта служит основой для высказывания определенных теоретических предсказаний о структуре атома. С этой целью можно решить несколько задач: 1. Сравнить силу тяготения между α-частицей и атомом одного из самых тяжелых элементов – свинца с силой кулоновского взаимодействия α-частицы с электроном, имеющим наименьший электрический заряд. Расстояние между взаимодействующими частицами в том и другом случае считать одинаковыми. (mсв=3,3∙10-25кг, е = -1,6∙10-19Кл). Решение первой задачи (ответ:3,2∙10-34) показывает, что сила кулоновского притяжения между α-частицей и частицей с самым маленьким электрическим зарядом примерно в 1034 раз больше силы её гравитационного притяжения к атому одного из самых тяжелых элементов – атому свинца. Это позволяет сделать вывод, что отклонение α-частиц, наблюдаемое в опыте Резерфорда, не может быть вызвано силами гравитации, которые играют ничтожную роль, а его следует приписать действию кулоновских сил, действующих между α-частицей и имеющимися внутри атома электрическими зарядами. 2. α-частица, образующаяся при распаде радия, имеет энергию 4,8 Мэв. На какое расстояние может она приблизиться к другой частице, имеющей заряд +79е, где е- заряд электрона? Из решения второй задачи (ответ:5∙10-14м) следует, что для отклонения α-частицы на угол, близкий к 180º, она должна приблизиться к другой заряженной частице на расстояние порядка 10-15м, а так как случаи таких отклонений имеют место (хотя они и очень редки), то, следовательно, в атомах существуют электрические заряды, сконцентрированные в области, линейные размеры которой порядка 10-15м. Анализ решения задачи дает возможность уже при объяснении результатов опыта Резерфорда сделать обоснованные выводы о возможных размерах ядра. 3. α-частица испытывает упругое соударение с другой неподвижной частицей, масса которой в 7350 раз меньше, чем её масса. Какую часть своей скорости и энергии потеряет при этом α-частица? Анализ решения этой задачи ( ответ: потеря скорости составит 0,027%; потеря энергии 0,054 % ) позволяет сделать вывод: при соударении с электроном скорость, импульс и энергия α-частицы меняются столь мало, что их изменением следует пренебрегать и считать, что в результате соударения с электроном движение α-частицы практически не изменяется. А отсюда вытекает, что отклонение α-частицы на большие углы обусловлено с взаимодействием с частицей, масса которой сравнима с массой α-частицы и которая имеет положительный заряд. Суммируя сделанные выводы, можно по результатам опыта Резерфорда, опираясь на повторенный материал и решение приведенных задач, сделать вывод, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10-1410-15 м. Это ядро занимает только 10-12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Вещество, составляющее ядро атома, имеет плотность порядка1015г/см3. Для того, чтобы ученики получили представление об этой величине, можно привести следующий пример: если бы объём человека массой 100кг уменьшился так, что стал бы состоять из ядер, расположенных вплотную, то он был бы равен примерно 10-6мм3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Позднее, используя зависимость отклонения αчастиц от заряда ядра, Чедвиг установил замечательное совпадение величины заряда ядра с порядковым номером элемента в таблице Д.И.Менделеева. Именно заряд ядра, а не атомный вес определяет свойства элемента и его положение в периодической системе. При составлении её Д.И.Менделеев расположил в ней никель за кобальтом и калий за аргоном, что не соответствует возрастанию атомного веса, но соответствует, как теперь доказано, возрастанию заряда ядра. Объясняя эту связь, пользуемся периодической системой Д.И.Менделеева. Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не исключением был и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только через 2 года (в 1911г.) после выполнения последних экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. При рассмотрении учащимися планетарной модели атомов (представление о которой они уже имеют.) можно использовать проекцию рис.6.1.4 . [ 1 ] При описании планетарной модели атома надо обратить внимание учащихся на несовместимость такой модели с законами механики и электродинамики. Во-первых, длительное движение электрона по замкнутой траектории вокруг ядра с точки зрения электродинамики Максвелла невозможно, так как из-за потери энергии на излучение электрон тормозится и должен очень скоро (в течение 10-8 с) упасть на ядро. Между тем атом устойчив. Во-вторых, вследствие непрерывной потери энергии и, значит, непрерывного изменения скорости электрона атом должен излучать непрерывный спектр. Однако атомы излучают линейчатые спектры. В-третьих, атомы излучают свет не все время, а лишь при определенных условиях (прохождение электрического тока через газы, нагревание до высокой температуры и др.), т. е. при возбуждении атома, сообщении ему энергии. Урок 3-4. Квантовые постулаты Бора. Теория Бора сыграла выдающуюся роль в создании атомной физики. Бор одним из первых понял, что решение проблемы атома возможно только на пути отказа от принципов классической электродинамики. Постулаты Бора были не просто очередным шагом в развитии физической науки, а скачком, положившим начало теории микромира – квантовой механике. В школьном курсе физики теория Бора занимает важное место, так как она впервые знакомит учащихся с особенностями движения микрочастиц, с важнейшим отличием этого движения – дискретностью, квантованностью состояний частицы. В 1913 году Бор сформулировал постулаты, которые согласовывали модель атома Резерфорда с экспериментальными фактами (стабильность атома, дискретный характер излучаемой им энергии). Постулаты Бора необходимо не только сформулировать, но и пояснить. Для этого можно использовать отрывок из урока «Квантовые постулаты Бора» [ 6 ], в котором кратно вспоминается модель атома Резерфорда, её противоречия с классической физикой и электродинамикой; формулируются постулаты Бора, сопровождающиеся динамическими иллюстрациями, дается кратное пояснение. Рассмотрев постулаты Бора, обращают внимание учащихся на то, что атомная теория должна объяснить все свойства атомов, и прежде всего структуру их спектров. Исторически именно изучение спектров и было тем «окном», заглянув в которое физики увидели особый внутриатомный мир. Фрагмент урока 21 «Спектры поглощения и излучения» [ 6 ] объясняет происхождение спектральных линий атома водорода с помощью диаграммы энергетических уровней. Для закрепления материала рекомендуется разобрать следующие вопросы и решить несколько задач из школьных задачников. 1. При облучении атома водорода электроны перешли с первой стационарной орбиты на третью, а при возвращении в исходное состояние они переходили сначала с третьей орбиты на вторую, а затем со второй на первую. Что можно сказать об энергии квантов, поглощенных и излученных атомом? 2. Сколько квантов с различной энергией может испустить атом водорода, если электрон находится на третьей орбите? 3. Как изменилась энергия атома водорода, если электорн в атоме перешел с первой орбиты на третью, а потом обратно? 4. На какие стационарные орбиты переходят электроны в аиоме водорода при испускании видимых лучей, ультрафиолетовых лучей?. Для их решения удобно воспользоваться интерактивной моделью «Постулаты Бора» [ 3 ], которая позволяет решать задачи, сопровождая их красочными динамическими иллюстрациями. Важно обратить внимание учащихся на то, что теория Бора не была вполне последовательной. Для расчета атома водорода использовался второй закон Ньютона и одновременно чуждое классической механике правило отбора дискретных состояний. В этом причина несовершенства теории Бора. Правильные количественные результаты эта теория давала только для водорода и водородоподобных ионов. Тем не менее историческое значение теории Бора очень велико: она убедила физиков в том, что в микромире господствуют специфические законы. И явилась первым шагом на пути создания последовательной квантовой теории – квантовой механики и квантовой электродинамики. Вместе с тем квантовая теория показала правильность обоих постулатов Бора. Урок 5-6. Вынужденное излучение. Лазеры. Целесообразно, начать урок с проверки усвоения вопросов: опыты Резерфорда, планетарная модель атома, теория Бора. Для этого можно воспользоваться тренировочным тестом №1. Осуществив проверку (взаимопроверку и т.д.), необходимо выяснить трудности, с которыми столкнулись учащиеся при изучении материала. Лазеры играют очень важную роль в современном научно-техническом прогрессе. Их излучение обладает уникальными и очень ценными качествами, благодаря которым лазеры получили широчайшее применение в самых различных областях науки, техники, медицины и др. Возможности использования лазеров ещё далеко не исчерпаны. Прогресс в этой области чрезвычайно велик. Действие лазеров основано на явлении вынужденного излучения, которое описал А.Эйнштейн в 1916 году в работе «Испускание и поглощение света по квантовой теории». Принцип действия лазеров и свойства индуцированного излучения можно рассмотреть, используя урок 22 [ 5 ]. Кроме того, в данном фрагменте представлены портреты советских физиков Н.В.Басова и А.М.Прохорова с краткими комментариями. Чтобы учащиеся получили представление о некоторых современных использованиях лазерной техники можно посмотреть видеофильм «Лазеротерапия» [ 2 ] и прослушать краткие сообщения учащихся, подготовленные дома по темам: «Лазерная обработка материалов», «Голография», «Лазеры в системах связи и локации» и т.д. Урок 7. Самостоятельная работа по теме «Постулаты Бора». 3. Методика изучения физика атомного ядра и элементарных частиц. В данном разделе формируются первые научные представления о составе, свойствах и взаимных превращениях атомных ядер, о новом виде сил – ядерном, или сильном, взаимодействии. Изучение ядра и элементарных частиц материи знакомит с основным методом исследования ядерной физики – «столкновением» ядер с частицами высоких энергий. Существенно, что при этом независимо от характера взаимодействия всегда выполняются известные учащимся законы сохранения энергии, импульса, заряда. Ядерная физика является научной основой современной ядерной техники и, в частности, ядерной энергетики. В учебнике сохраняется историческая последовательность изложения: изучение ядра начинается с рассказа о естественной радиоактивности, затем рассматривается искусственное превращение ядер и далее состав ядра атома, ядерные силы и энергия связи ядер. Особое место занимает деление ядер урана и промышленное получение ядерной энергии, а также применение радиоактивных изотопов. Количественная сторона изучения атомного ядра в учебнике ограничивается применением закона взаимосвязи массы и энергии к расчету энергии связи ядер и рассмотрению закона радиоактивного распада ядер. Все основные сведения о составе и свойствах атомных ядер учащиеся получают из описания фундаментальных экспериментов, на которые ложится, таким образом, главная учебная нагрузка. Поэтому изучение темы начинается с описания основных экспериментальных устройств, применяемых в ядерной физике. Поурочное распределение материала может быть следующим ( 4 часа в неделю). Физика атомного ядра (15 часов). Основные знания: 1. Естественная радиоактивность, радиоактивный распад. 2. Закон радиоактивного распада. 3. Состав радиоактивного излучения, природа α, β, γ –излучений. 4. Протонно-нейтронная модель ядра атома. 5. Энергия связи. 6. Энергетический выход ядерных реакций. 7. Ядерная реакция. 8. Цепная ядерная реакция. 9. Термоядерная реакция. 10. Элементарные частицы, взаимные превращения элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия. Основные умения: 1. Определять продукты ядерных реакций на основе законов сохранения электрического заряда и массового числа. 2. Р/з на закон радиоактивного распада. 3. Рассчитывать энергию связи ядра и энергетический выход ядерной реакции. 4. Определять знак заряда и направление движения элементарной частицы по треку на фотографии. 1 (100) 2-3 (100-101) 4-5 (102-103) 6-7 (104-105) 8-9 (106-107) 10-11 (108-109) 12 (110) Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц. § 98 Открытие радиоактивности. α, β, γ –излучения. Радиоактивные превращения. Закон радиоактивного распада. Строение атомного ядра. Изотопы. Энергия связи атомных ядер. Ядерные реакции. Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции. § 99-102, упр.14№1-3 Ядерный реактор. Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии. Получение радиоактивных изотопов и их применение. Биологическое действие радиоактивных излучений. Лабораторная работа по теме: «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям» 13 (111 ) Контрольная работа по теме: « Физика атомного ядра» 14-15 (112-113) Элементарные частицы. § 103-106, упр.14№4-5 § 107-109, упр.14№6-7, сообщения § 110-111, сообщения § 112-114 подготовиться к контрольной работе § 115-116 Урок 1. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц. В учебнике рассматриваются газоразрядный счетчик, камера Вильсона, пузырьковая камера и метод толстослойных фотоэмульсий, широко применяемые в современной ядерной физике. Общая особенность всех этих экспериментальных средств состоит в том, что пролет частицы возвращает систему в более устойчивое состояние. Прежде чем разобрать с учащимися устройство и принцип действия каждого из устройств, необходимо раскрыть их назначение: все они предназначены для того, чтобы обнаружить факт появления частицы и идентифицировать ее (определить модуль и знак заряда, массу частицы, импульс, энергию). Также необходимо отметить и общий принцип: заряженные частицы, попадая в устройство, пролетают через газ, жидкость или твердое тело. При этом они могут вызвать возбуждение атомов, их ионизацию, расщепление молекул на атомы. Изучение методов целесообразно начать с просмотра фрагмента урока «Методы регистрации элементарных частиц [ 6 ], в котором представлены схемы установок, рассказывается принцип действия и применение каждого из методов. После просмотра фрагмента для более глубокого усвоения материала можно организовать групповую работу учащихся по заполнению следующей таблицы. При данной работе учащиеся используют материал учебника и дополнительную литературу. После выполнения работы каждая группа представляет отчет по одному из методов, используя фотографии [ 4 ]. Название Схема установки метода Принцип действия Информация о частицах Урок 2-3. Естественная радиоактивность. При изучении естественной радиоактивности необходимо руководствоваться следующими соображениями. 1. Надо раскрыть, какое значение имели для расширения знаний о строении вещества исследования радиоактивности (был сделан ряд важных открытий, из которых наиболее фундаментальным явилось открытие превращения одних элементов в другие). 2. Большое внимание следует уделить экспериментальным методам исследования. Изучение радиоактивности способствовало созданию новых приборов, новых методов исследования в физике. Благодаря огромной энергии альфа частиц оказалось возможным создать те способы их регистрации и наблюдения (счетчик Гейгера, камера Вильсона), с которыми учащиеся уже ознакомились. 3. При изучении количественного закона радиоактивного распада необходимо разъяснить его статистический характер и сравнить его со статистическими закономерностями молекулярно-кинетической теории. Изучение радиоактивности начинается с истории открытия и дальнейшего исследования этого явления. Первые эксперименты по радиоактивности были направлены на изучение свойств нового излучения. Помимо действия на фотографическую пластинку (по этому свойству оно и было обнаружено), радиоактивное излучение вызывает ионизацию воздуха, люминисценцию некоторых веществ, обладает значительной проникающей способностью. Когда Беккерель выяснил, что способность давать излучение не зависит от того, в какие химические соединения входит уран, и следовательно, является свойством самих атомов урана, начались поиски других элементов, дающих такое излучение. Здесь следует подчеркнуть значение работ Пьера и Марии Кюри. Ими был открыт в примесях урановой руды радиоактивный элемент – радий, активность которого в 20 миллионов раз больше, чем урана (о трудоемкости работы свидетельствует тот факт, что было переработано около 1 тонны урановой смолки и из неё выделено 0,2г соли радия). Они же показали, что все химические элементы с порядковым номером, большим 83 (стоящие за висмутом), имеют радиоактивные изотопы. Основная задача исследования состояла в выяснении физической природы излучения. Для определения состава радиоактивного излучения понадобилось примерно 10 лет. Наибольшая заслуга в этой области принадлежит Резерфорду. Неоднородность состава радиоактивного излучения была обнаружена им уже в 1898 году по различной ионизирующей способности излучения. Разделение радиоактивного излучения в магнитном поле было произведено впервые Пьером Кюри в 1899 году. Однако заметного отклонения альфа лучей в магнитном поле впервые добился Резерфорд только в 1903 году. Для рассмотрения опыта Резерфорда удобно использовать фрагмент урока «Радиоактивность» [ 5 ], в котором показана схема опыта, рассказано о составе и свойствах радиоактивных излучений, сформулировано правило смещения (Фаянс и Содди, 1913год). Кроме того, вводится символическая запись элементов: zАХ, где Х – символ элемента, А – массовое число, Z – порядковый номер. Для более глубокого усвоения состава и свойств радиоактивных излучений учащимся целесообразно схему опыта зарисовать в тетрадь [ 1 ] и заполнить таблицу: α - излучение β - излучение γ - излучение Природа Заряд Масса Скорость Проникающая способность Поведение в электрическом и магнитном полях Ионизирующая способность Изучать закон радиоактивного распада можно используя следующий фрагмент урока «Радиоактивность» [ 6 ], в котором рассматривается график зависимости числа атомов, не распавшихся к моменту t, от времени; вводится понятие периода полураспада, приводятся примеры периодов полураспада различных веществ. Необходимо подчеркнуть, что закон радиоактивного распада носит статистический характер. Здесь уместно вспомнить, что статистические законы выявляют связь между средними значениями величин для большой совокупности частиц и макроскопическими величинами (статистические закономерности изучались в 10 классе в молекулярнокинетической теории идеального газа). Закон радиоактивного распада хорошо выполняется лишь для очень большого числа атомов. В этом его сходство с закономерностями молекулярно – кинетической теории. Однако есть и принципиальное различие. Статистические законы, описывающие поведение большого ансамбля молекул, были получены на основе применения законов Ньютона к отдельным молекулам. В случае же радиоактивного распада статистический закон получен непосредственно. Он не является обобщением элементарного закона, управляющего распадом индивидуального атома, так как невозможно предсказать, когда произойдет этот распад атома не зависит от его возраста, атомы «не стареют»! Статистический характер носят все законы микромира, достаточно точно они описывают поведение лишь большой совокупности частиц. Судьбу отдельной частицы законы квантовой физики предсказывают только с определенной степенью вероятности. О времени жизни одного атома ничего сказать нельзя, но среднее время жизни атомов данного радиоактивного элемента есть вполне определенная величина. Она тем больше, чем больше период полураспада. Для закрепления полученных знаний рекомендуется решить тренировочный тест №2. Урок 4-5. Строение атомного ядра. Изотопы. Энергия связи. Эти вопросы занимают центральное место в физике атомного ядра, их надо разъяснить учащимся с возможной в школьном курсе полнотой и убедительностью. Понятие об изотопах учащиеся получают впервые в курсе химии 8 класса, со строением атомного ядра знакомятся в курсе физики 9 класса. Повторить с учащимися эти вопросы можно с помощью фрагмента урока « Состав атомного ядра» [ 6 ], в котором рассказывается об опытах Резерфорда по искусственному превращению ядер азота, опытах Чедвига по открытию нейтрона. Кроме этого в фильме дается понятие изотопа и краткие характеристики изотопов урана и водорода. Познакомив учащихся с протонно-нейтронной моделью ядра, целесообразно именно в этом месте курса физики охарактеризовать свойства протонов и нейтронов. Масса протона = 1,007276 а.е.м., заряд протона = 1,6∙10-19Кл; масса нейтрона = 1,008665 а.е.м., заряд = 0. Число нейтронов в ядре определяется как разность между массовым числом и числом протонов, т.е. оно равно N=А-Z. Кроме этого следует добавить, что протон – частица стабильная, а нейтрон – квазистабильная (среднее время жизни свободного нейтрона 15 минут). Неустойчивость нейтрона объясняют его большой по сравнению с протоном массой, из чего следует ожидать, что нейтрон будет распадаться на протон и электрон. Действительно этот процесс наблюдают, но он сопровождается вылетом ещё одной частицы, имеющей массу покоя, равную 0, и названную антинейтрино, о свойствах которой более подробно учащиеся узнают при изучении элементарных частиц. Учащиеся должны научиться определять состав ядра по его атомному номеру и массовому числу, для чего целесообразно решить ряд задач из стандартных задачников, используемых в школе. Ещё изучая опыт Резерфорда по рассеиванию альфа частиц, учащиеся знакомятся с такими характеристиками ядра, как заряд и размеры. В этом месте курса физики представляется интересным решить с учащимися задачу на определение плотности ядерного вещества. Предположим, что ядро состоит из частиц примерно одинакового размера, находящихся на равных расстояниях друг от друга, так что на каждую частицу приходится один и тот же эффективный объем. При этих условиях объем ядра должен зависеть от числа нуклонов: Vя = 4/3 (πRя3) = 4/3 (πRа3), откуда Rя = R0 3 √ А , где R0 – эффективный радиус одного нуклона. Как показывает эксперимент, R0 = (1,4 - 1,5) ∙ 10-15м. Если предположить, что ядро – шарик одинаковой плотности, то можно вычислить плотность ядерного вещества ρ = m/v = 1,5 ∙ 1017 кг/м3 т.е колоссальное значение. Полезно обратить внимание учащихся, что плотность ядерного вещества всех ядер одинакова. При изучении ядра атома необходимо ознакомить учащихся с ядерными силами. Для облегчения усвоения материала целесообразно сравнивать ядерные силы с уже известными электромагнитными и гравитационными силами. План раскрытия этого материала может быть следующим. 1. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева, и, например для урана заряд ядра равен 92е. Так как размер ядра очень мал, а кулоновская сила возрастает пропорционально 1/R2, то электрическая сила отталкивания между протонами в ядре достаточно велика. Между тем ядра атомов – устойчивые образования. Это и заставляет предположить, что между нуклонами в ядре действуют ещё другие, ядерные силы, которые способны преодолеть силу кулоновского отталкивания между протонами. Интенсивность ядерных сил в 137 раз больше сил электростатического отталкивания протонов; 2. Ядерные силы зарядово-независимы, т.е. взаимодействие протона с нейтроном, нейтрона с нейтроном, протона с протоном примерно одинаково. В отношении ядерного взаимодействия протон и нейтрон неразличимы, поэтому им и дано общее название «нуклон»; 3. Ядерные силы короткодействующие: они действуют лишь на малых расстояниях (1,5– 2,2)∙10-15м. При удалении протона из ядра (как только расстояние между ними становится более 4,2∙10-15м) ядерные силы перестают действовать, протон и ядро взаимодействуют между собой лишь с силой электростатического отталкивания; 4. Ядерные силы обладают свойствами насыщения, что является следствием их короткодействия, т.е. каждый нуклон ядра взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему других нуклонов. Изучение понятия энергии связи ядра позволяет дать оценку ядерных сил, устойчивости ядра, а главное показать, какие процессы ведут к освобождению ядерной энергии и как рассчитать освобождающуюся ядерную энергию. Введение этого важнейшего для физики понятия опирается на введенные ранее понятия об энергии связи системы взаимодействующих частиц. Перед его изучением необходимо повторить закон пропорциональности массы и энергии, а также понятие об энергии взаимодействия тел, например молекул и заряженных частиц. Необходимо напомнить учащимся, что система взаимодействующих тел имеет энергию, отличную от суммы энергии этих тел при отсутствии взаимодействия между ними. Так энергия группы молекул, находящихся на расстояниях, на которых практически не проявляется взаимодействие между ними, состоит из суммы их энергий покоя и кинетических энергий. Те же молекулы, образующие кристалл, т.е. систему взаимодействующих частиц, имеют энергию, состоящую из энергии покоя и кинетической энергии молекул, а также из энергии их взаимодействия. Так как взаимодействие между молекулами в кристалле – притяжение, то эта энергия взаимодействия отрицательна и общая энергия системы меньше суммы энергий отдельных молекул. Поэтому при образовании кристалла из молекул излишек энергии выделяется в виде теплоты плавления и парообразования. Но если энергия системы отличается от энергии исходных частиц, то согласно соотношению Е = mc2 и масса системы отличается от суммы масс исходных частиц (в случае притяжения она меньше, а в случае отталкивания больше). Разность между массой системы и суммой масс составляющих её частиц может быть обнаружена только в том случае, когда она достаточно велика и может быть измерена существующими способами. Учащимся можно предложить рассчитать сумму масс, составляющих ядро частиц для элементов (желательно, стоящих, в разных местах периодической системы B, Al, U), и сравнить полученные результаты с данными таблицы. Расчеты показывают, что ядро, как система взаимодействующих частиц – нуклонов, имеет энергию, меньшую, чем энергия исходных частиц, а следовательно, и меньшую массу. Прочность ядра свидетельствует о наличии больших сил притяжения. Следовательно, при образовании ядра из отдельных частиц энергия выделяется. Далее необходимо дать определение энергии связи, и предложить учащимся рассчитать её для соответствующих элементов, пользуясь соотношением Есв=∆mс2. Полезно выполнить расчеты с использованием значений масс ядер и частиц как в килограммах, так и в атомных единицах массы. В последнем случае расчеты упрощаются, если выполнить вычисление энергии, соответствующее дефекту массы 1 а.е.м., а затем использовать это значение как переводной коэффициент для определения энергетического выхода по дефекту массы: 1 а.е.м.=1,6605655∙10-27кг, Е = mc2, -27 Е=1,66057∙10 кг∙ (2,99792)2∙1016м2/с2 =1,49244∙10-10Дж. Используя перевод единиц энергии из джоулей в электронвольты, получим 1эВ=1,60219∙10-19Дж, 6 Е=931,5∙10 эВ=931,5МэВ. Массе 1а.е.м. соответствует полная энергия 931,5МэВ. Следовательно, для вычисления энергии связи достаточно умножить дефект массы в а.е.м. на переводной коэффициент.Есв=931,5∙∆m. Воспользовавшись рассчитанными значениями энергии связи, можно обратить внимание учащихся на то, что энергия связи увеличивается с увеличением числа нуклонов в ядре. Чтобы выяснить, сопровождается ли присоединение к ядру каждого нуклона выделением одного и того же количества энергии, введем понятие удельной энергии связи. Посчитав удельную энергию связи для своих элементов, учащиеся убеждаются, что они различны для разных элементов. Затем демонстрируется график зависимости удельной энергии связи от массового числа [ 1 ] и из его анализа делается ряд важных заключений: 1. Удельная энергия связи не является одинаковой для всех ядер. Следовательно, нуклоны связаны в различных ядрах неодинаково прочно. Наиболее прочны ядра элементов, массовые числа которых заключены в интервале от 40 до 100 (здесь удельная энергия связи максимальна). В этой группе ядер величина удельной энергии связи приблизительно постоянна и равна 8,7 МэВ на нуклон. 2. Удельная энергия связи у ядер с массовым числом, большим 100, уменьшается по мере увеличения числа нуклонов в ядре. У урана она равна примерно 7,5Мэв. 3. Удельная энергия легких ядер (А меньше 40) резко уменьшается по мере увеличения нуклонов в ядре, и для дейтерия она равна примерно 1МэВ. Такая зависимость энергии связи от массового числа делает энергетически возможными два процесса: первый – деление массивных, перегруженных нейтронами ядер на несколько более легких с выделением большой энергии, второй – слияние (синтез) легких ядер в одно ядро со средним массовым числом и также с выделением большой энергии. Для закрепления знаний учащихся о строении ядра можно решить тренировочный тест №3. Урок 6-7. Ядерные реакции. Изучая предыдущие темы, ученики уже познакомились с примерами ядерных реакций и законами сохранения, выполняющимися при реакциях. Теперь можно сделать обобщения и рассмотреть ещё несколько основных типов ядерных реакций, обратив особое внимание на их энергетический эффект. Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов. В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях. Первая ядерная реакция была осуществлена Э.Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме: 14 4 17 1 7 N +2 He → 8 O +1 H. При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса и заряда. Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году: 7 1 4 4 3 Li +1 H → 2 He +2 He. Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми , но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями. Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина Q = (MА + МВ –МС –МD)c2 =∆Mc2, где MА и МВ –массы исходных продуктов, МС и МD- массы конечных продуктов реакции, ∆M-дефект масс. Ядерные реакции могут протекать с выделением энергии (Q больше 0) или с поглощением энергии (Q меньше 0). Для того, чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов, т.е. возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии: реакции деления тяжелых ядер и реакции синтеза легких ядер. Реакция деления тяжелых ядер, сущность которой заключается в том, что ядра атомов тяжелее олова под действием попавших в них частиц делятся на два осколка, является основой современной ядерной энергетики, поэтому она рассматривается в школьном курсе физики достаточно подробно. Для лучшего понимания происходящих при этих реакциях явлений и большого выхода энергий можно лишь дополнить тему объяснением процесса деления и расчетом энергии, выделяющейся при реакции. В1939 году немецкими учеными О.Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария, криптона и др. Тогда же советскими физиками Флеровым и Петржаком было открыто самопроизвольное деление тяжелых ядер на два примерно равных осколка, Такое деление ядер урана происходит примерно в миллион раз реже радиоактивного распада. В 1939 году советским физиком Я.И.Френкелем было теоретически объяснен распад ядер под действием нейтронов. Для объяснения механизма деления ядра необходимо восстановить в памяти учеников свойства ядерных сил, их отличие от кулоновских сил и объяснить основы капельной модели ядра. Необходимо обратить внимание учащихся на то, что капельная модель ядра вводится не для того, чтобы создать наглядное представление о ядре. Она позволяет получить новые сведения о нем, например, предположить наличие у него поверхностного натяжения или рассчитать энергию ядра. В пользу модели, по которой ядро уподобляется жидкой капле, можно привести следующие доводы: 1) Плотность ядерного вещества одинакова по всему объему ядра, как и плотность жидкости в капле. 2) Ядерные частицы подвижны, как молекулы жидкости в капле. 3)Ядерные частицы взаимодействуют с соседними частицами, имеют ограниченную сферу действия, также как и молекулы жидкости. 4) Если ядро получает порцию энергии, например, при попадании в ядро быстрой частицы, то эта энергия распределяется поровну между всеми ядерными частицами подобно тому, как усредняется энергия молекул в капле жидкости. Для демонстрации деления ядра можно воспользоваться фрагментом урока «Понятие о ядерных реакциях» [ 6, с 9 шага ]. Выделение энергии при ядерной реакции деления тяжелых ядер следует обосновать анализом графика зависимости удельной энергии связи нуклонов в ядре от массового числа [ 1 ]. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом А ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами А =90-145 удельная энергия примерно равна 8,5 Мэв/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3т угля или 2,5 тонн нефти. Для глубокого осознания материала необходимо решить несколько задач на расчет энергетического выхода ядерных реакций из школьных задачников. Для объяснения цепной ядерной реакции можно воспользоваться фрагментом урока «Цепные ядерные реакции» [ 5], а затем закрепить понимание данных вопросов с помощью тренировочного теста №4. Урок 8-9. Ядерный реактор. Термоядерные реакции. Для понимания физических основ ядерной энергетики учащиеся должны усвоить, что: 1) реакция деления тяжелых ядер энергетически выгодна, так как удельная энергия связи для них примерно на 1МэВ меньше удельной энергии связи элементов, находящихся в середине периодической системы. Поэтому наблюдается самопроизвольное (спонтанное) деление ядер урана, но вероятность его мала; 2) при попадании в ядро урана теплового нейтрона процесс деления становится более вероятным; 3) механизм деления ядра может быть понят на основе капельной модели ядра; 4) при делении ядер урана выделяется колоссальная энергия; 5) при делении ядер урана, кроме ядер осколков, образуются 2-3 нейтрона; это приводит к тому, что реакция становится цепной; 6) увеличение массы урана (или другого ядерного горючего) до размеров критической массы приводит к взрыву, (неуправляемая ядерная реакция осуществляется в атомной бомбе, взрыв которой можно рассмотреть в анимации «Принцип действия атомной бомбы» [ 2, №42 ]. 7) труднее осуществить управляемую ядерную реакцию. Для этого требуется замедлить нейтроны, появляющиеся в процессе реакции; обеспечить защиту обслуживающего персонала от мощного излучения, источником которого является урановая среда; разработать систему охлаждения, научиться управлять ходом реакции и решить ряд других важных проблем. Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором. Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э.Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И.В.Курчатова. При объяснении устройства и работы атомной электростанции удобно использовать проекцию рисунка [ 1 ]. Ядерная реакция протекает в активной зоне реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями, содержащими обогащенную смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до3%). В активную зону вводятся регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет управлять скоростью цепной реакции. Активная зона охлаждается с помощью теплоносителя, в качестве которого может применяться вода или металл с низкой температурой плавления (например, натрий, имеющий температуру плавления 98º). В парогенераторе теплоноситель передает тепловую энергию воде, превращая её в пар высокого давления. Пар направляется в турбину, соединенную с электрогенератором. Из турбины пар поступает в конденсатор. Во избежание утечки радиации контуры теплоносителя и парогенератора работают по замкнутым циклам. Турбина атомной электростанции является тепловой машиной, определяющей в соответствии со вторым законом термодинамики общую эффективность станции. У современных атомных электростанций КПД≈1/3. Следовательно, для производства 1000МВт электрической мощности тепловая мощность реактора должна достигать 3000МВт. 2000МВт должны уноситься водой, охлаждающей конденсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем. Однако главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности людей, работающих на атомных электростанциях, и предотвращении случайных выбросов радиоактивных веществ, которые в большом количестве накапливаются в активной зоне реактора. При разработке ядерных реакторов этой проблеме уделяется большое внимание. Тем не менее, после аварий на некоторых АЭС, в частности на АЭС в Пенсильвании (США,1979г.) и на Чернобыльской АЭС (2986), проблема безопасности ядерной энергетики встала с особой остротой. Здесь можно показать видеофрагмент «Атомный взрыв» [ 4 ]. Термоядерные реакции. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа А. Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением А. Поэтому синтез любого ядра с А<60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц. Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизиться на расстояние действия ядерных сил порядка 2∙10-15м. преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул. Должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры приводит к величине порядка 108-109К. Это чрезвычайно высокая температура, при которой вещество находится в состоянии плазмы. В настоящее время существуют различные способы нагрева и удержания плазмы. Один из методов удержания термоядерной плазмы предложили А.Д.Сахаров и И.Е.Тамм в 1950 году – изолировать (подвесить) горячую плазму в сильном магнитном поле. На основе этой идеи было создано несколько различных экспериментальных установок. Наибольшие успехи достигнуты на установках типа «Токамак». Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития выделяется 17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций. Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза. На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы. Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Желательно, чтобы к этому уроку учащиеся подготовили краткие сообщения по темам: «Авария на Чернобыльской АЭС и её последствия», «Реакторы на быстрых нейтронах», «Перспективы развития ядерной энергетики», «Перспективы ядерного синтеза» и т.д. Урок 10-11. Применение ядерной энергии. Получение радиоактивных изотопов и их применение. Биологическое действие радиоактивных излучений. Пуск в 1946 году первого в Советском Союзе атомного реактора явился не только кардинальным шагом в энергетике, но и определил развитие нового направления в технологии - использование изотопов в различных областях производства, так как уже в 1948 году на этом реакторе началось производство радиоактивных изотопов. В настоящее время радиоактивные изотопы получают в реакторах и на циклотронах. Масштабы применения радиоактивных изотопов в науке, промышленности и сельском хозяйстве очень быстро расширяются. В настоящее время промышленность выпускает много радиоактивных и стабильных изотопов, а также соединений, меченых радиоактивными и стабильными изотопами. Далее желательно прослушать краткие сообщения учащихся по темам: «Изотопы в промышленности», «Изотопы в сельском хозяйстве», «Изотопы в медицине» и т. д. Учащиеся должны убедиться в широком использовании радиоактивных изотопов, понимать перспективность этих методов и принципа действия радиоактивных приборов, сущность технологических процессов, ведущихся с использованием радиоактивных материалов Ядерная энергия, как и электрическая, является величайшим достижением науки, но её применение требует определенной грамотности всех людей. Впервые действие радиоактивного излучения на живой организм было обнаружено Анри Беккерелем, когда он получил ожег, положив в жилетный карман пробирку с радием. Узнав об этом, Пьер Кюри произвел опасный эксперимент: привязал к своему предплечью пробирку с радием и проносил её так в течение 10 часов. Потом он записал: «Кожа покраснела на поверхности в шесть квадратных сантиметров; она имеет вид ожога…». 3 июля 1900 года Анри Беккерель опубликовал результаты своих наблюдений и эксперимента Пьера Кюри и тем самым положил начало новой отрасли науки – радиобиологии. Открытие физиологического действия лучей радия повлекло за собой другое открытие: оказалось, что лучи излечивают опухоли и некоторые формы рака, возникла так называемая кюритерапия. Однако большие дозы облучения поражают здоровую ткань, и изучение их биологического действия привело к обнаружению губительных последствий облучения, заболеванию крови, появлению раковых опухолей и гибели организма. Могут возникнуть тяжелые заболевания и у потомков человека. Ядерные излучения, проходя через вещества, вызывают ионизацию атомов, что приводит к разрушению клеток или торможению их размножения. Важно отметить, что действие излучения на биологический объект суммируется, поэтому имеет значение как интенсивность излучения, так и длительность его воздействия. Далее вводится понятие дозы излучения, рассказывается о дозиметрах, нужно показать фотографии дозиметров и приборов радиационного контроля [ 4]. Вопрос биологического действия ионизирующих излучений желательно прослушать в сообщениях учащихся, подготовленных дома. Урок 12. Лабораторная работа «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям». Работа проводится по описанию, разработанному Н.А.Родиной. Урок 13. Контрольная работа по теме: « Физика атомного ядра». Урок 14-15. Элементарные частицы. В этой теме завершается построение физической картины мира. За последние десятилетия в изучении физики элементарных частиц сделаны огромные успехи. Так как проблемы теории элементарных частиц очень сложны, необходимо строго отобрать материал, который доступен учащимся и вместе с тем способствует их развитию и завершению (на данной ступени) физической картины мира. Лекция по данной теме в приложении. При освещении данного вопроса желательно показать портреты М.Фарадея, А.Беккереля, ДжТомсона, Э.Резерфорда, В.Гейзенберга [ 4 ] и использовать проекцию таблицы элементарных частиц [ 1 ]. 4. Список используемой литературы, используемой в работе. 1. Изучение физики атомного ядра в школе, Н.А.Родина, Москва, «Просвещение», 1966 год. 2. Методика преподавания физики, под ред.В П.Орехова и А.В.Усовой, Москва, «Просвещение»,1980 год. 3. Теория и методика обучения физике в школе. Частные вопросы, под ред. С.Е.Каменецкого, Москва, «Академа», 2000 год. 4. Преподавание физики в 10 классе средней школы, А.А.Ванеев, Э.Г.Дубицкая, Е.Ф.Ярунина, Москва, «Просвещение», 1984 год. 5. Углубленное изучение физики в 10-11 классах, под ред. О.Ф.Кабардина, В.А. Орлова, Москва, «Просвещение», 2002 год. 6. Опорные конспекты и тестовые задания, Г.Д.Луппов, Москва, «Просвещение»,1996 год. 7. Физика, дидактические материалы 11 класс, А.Е.Марон, Е.А.Марон, Москва, «Дрофа»,2005 год. 5. Перечень электронных учебных изданий по физике (на CD), используемых в работе. 1. Физикон. Открытая физика: В 2 ч./ Под ред. С.М. Козела. 2. 1С: Школа. Образовательный комплекс: Библиотека электронных наглядных пособий «Физика (7-11 классы)»/ Под ред. Н.К.Ханнанова. 3. Физикон. Практикум (7-11 классы) / Под ред. С.М. Козела. 4. Виртуальная школа «Кирилла и Мефодия». Библиотека электронных наглядных пособий «Физика (7-11 классы)». 5. Виртуальная школа «Кирилла и Мефодия». Уроки физики Кирилла и Мефодия (11 класс). 6. TeachPro Физика. Атомная физика. Колебания и волны. Оптика. 6. Приложение. Сводная таблица наглядных пособий к каждому уроку. Тема урока Строение атома. Опыт Резерфорда. Квантовые постулаты Бора. Вынужденное излучение. Лазеры. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц. Естественная радиоактивность Состав атомного ядра. Изотопы, энергия связи. Ядерные реакции. Ядерный реактор. Термоядерные реакции. Биологическое действие радиоактивных излучений Элементарные частицы Наглядные пособия Периодическая таблица Д.И.Менделева, [ 6 ], [ 1] [ 6 ], [ 3 ] [ 2 ], [ 5 ], тест№1 [ 6 ], [ 4 ], дополнительная литература для учащихся [ 1 ],[ 5 ], [ 6 ], тест №2 [ 6 ], [ 1 ], таблица масс атомных ядер, тест №3 [ 5 ], [ 1 ], [ 4 ], тест №4 [ 1 ], [ 2 ]. [4] [1]
