МЕТОДИКА ВИВЧЕННЯ ОСНОВНИХ ПОЛОЖЕНЬ ЯДЕРНОЇ ФІЗИКИ

Лекція № 18.

МЕТОДИКА ВИВЧЕННЯ ОСНОВНИХ ПОЛОЖЕНЬ ЯДЕРНОЇ ФІЗИКИ

1. Науково-методичний аналіз змісту і структури теми

Тема є завершальною в програмі фізики старшої школи. Її вивчення не лише дозволяє суттєво поглибити знання учнів новими, сучасними уявленнями про будову речовини, але і відкрити перспективи подальшого вивчення природи. Незважаючи на сучасний характер змісту теми, учні мають достатній рівень підготовки для сприймання її змісту. Для її засвоєння в учнів є необхідні знання з електродинаміки (електричний заряд, електромагнітне поле), основ спеціальної теорії відносності (еквівалентність маси та енергії) та елементів квантової механіки (енергія кванта і корпускулярно хвильовий дуалізм). Крім цього, тема має сучасне практичне звучання. У першу чергу це пов’язане з використанням атомної енергії для потреб суспільного виробництва. Актуальність теми підвищується у зв’язку з проблемами, породженими Чорнобильською катастрофою.

Програма передбачає вивчення таких питань: склад ядра, ядерні реакції та їх енергетичний вихід, ланцюгові реакції, ядерні та термоядерні реакції, проблема розвитку ядерної енергетики в Україні, елементарні частинки та їх властивості.

Програма передбачає вивчення таких питань: склад ядра, ядерні реакції та їх енергетичний вихід, ланцюгові реакції, ядерні та термоядерні реакції, проблема розвитку ядерної енергетики в Україні, елементарні частинки та їх властивості.

Структурно-логічна схема теми

2. Основні поняття та їх науково-методичний аналіз

Принципово новими поняттями для учнів є поняття нуклона, енергії зв’язку, дефекту маси, радіоактивності, ядерної реакції.

Нуклоном називають частинку, яка входять у склад ядра. Такими частинками є протони й нейтрони. Початкові уявлення про них учні отримали при вивченні курсу фізики 8 класу. Протон і нейтрон у ядрі перетворюються один в одного з частотою 1023 Гц і мають близькі параметрами. Тому їх об’єднують в одну групу під назвою нуклонів. У ядрі нуклони утримуються ядерними силами, які переважають кулонівські сили відштовхування і за природою є обмінними силами, за яких зв’язок між нуклонами здійснюється через обмін нуклонів π-мезонами.

Дефектом маси називають різницю між масою всіх нуклонів ядра у вільному стані і масою зв’язаних нуклонів (масою ядра):

Енергія, яка виділяється при поділі ядра на нуклони або окремі частини, називається енергією зв’язку. Відповідно до висновків спеціальної теорії відносності ця енергія еквівалентна дефекту мас ядра. Тому

Радіоактивність – це властивість деяких хімічних елементів випромінювати корпускулярне або електромагнітне випромінювання; вона може бути природною або штучною. Явище, як правило, приводить до зміни складу ядра елемента внаслідок чого утворюється новий елемент. Розрізняють три типи природної радіоактивності α- β- і γ-.

α-випромінювання за складом є потоком ядер гелію, вони мають велику масу та енергію.

β-випромінювання – це потік швидких електронів, які внаслідок малої маси і великої швидкості мають велику проникну здатність.

γ-випромінювання є електромагнітним випромінюванням з малою довжиною хвилі, мають велику енергію кванта і значну проникну здатність.

При ядерних реакціях можливе випромінювання інших елементарних частинок: нейтронів, позитронів, нейтрино тощо.

Ядерна реакція полягає в тому, що в ядрі відбуваються певні структурні зміни при взаємодії ядра з елементарними частинками або іншими ядрами, внаслідок чого дане ядро випромінює елементарні частинки або поділяється на окремі частинки з масою меншою, ніж маса вихідного ядра. У ядерних реакціях діє закон збереження електричного заряду та маси.

Період піврозпаду – час, протягом якого розпадається половина всіх ядер радіоактивного елемента.

Ланцюгова реакція – реакція послідовного поділу ядер радіоактивних елементів під дією нейтронів, які утворюються при поділі інших ядер.

3. Навчальний фізичний експеримент

Фізичний експеримент, який міг би бути суттєвим підкріпленням теоретичних описових викладок змісту теми обмежений демонстраціями реєстрації природного радіоактивного фону за допомогою лічильника Гейгера-Мюллера [10, с.263] та треків альфа-частинок за допомогою моделі камера Вільсона [10, с.261]. Санітарні норми забороняють використовувати радіоактивні препарати у навчальному фізичному кабінеті. Тому всі інші явища, пов’язані з радіоактивністю, можуть бути проілюстровані лише на рівні демонстраційних макетів, таблиць, відео, комп’ютерних моделей.

4. Методика вивчення основних питань теми

Реалізація програмних вимог щодо вивчення фізики атомного ядра можлива у двох варіантах. Один з цих варіантів передбачає використання явища природної радіоактивності для формулювання висновку про його ядерне походження і про складну будову ядра. У контексті викладу цього матеріалу, як правило, використовують історичний матеріал про відкриття і вивчення явища природної радіоактивності. на прикладі наукових досліджень, проведених Анрі Беккерелем, П’єром Кюрі та Марією Складовською-Кюрі. При цьому учні мають можливість ознайомитися з трьома видами радіоактивного випромінювання і на основі цього зробити висновки про складну будову ядра атома. Такий підхід дозволяє формувати в учнів навички логічного мислення, робити висновки індуктивним шляхом.

Другий підхід передбачає використання знань учнів про будову ядра з протонів і нейтронів, отримані при вивченні фізики в основній школі. У такому випадку вчитель інформує учнів про складну будову ядра, а саме явище природної радіоактивності використовує для підтвердження початкових установок про будову ядра атома. Цей варіант методики вивчення матеріалу сприяє формуванню в учнів навиків теоретичного мислення, що є одним із завдань навчання фізики в старших класах.

Явище радіоактивності розглядається як таке, що відбувається відповідно до певних законів. Закон радіоактивності передбачає розрахунок кількості атомів радіоактивної речовини, яка залишилася після розпаду на протязі певного часу. Він визначає кількість радіоактивної речовини як функцію часу.

Найбільш поширеною формою запису цього закону, доступною для розуміння учнями, є форма, яка встановлює, що кількість атомів, які зазнали радіоактивного розпаду, залежить від початкової кількості атомів, їх специфікації та інтервалу часу

Шляхом певних математичних перетворень цього виразу можна отримати формулу для розрахунку кількості атомів, які залишилися без зміни

де t – час розпаду; N₀ – початкова кількість атомів; Т – період піврозпаду, який показує, за який час розпадається половина всіх атомів даного елемента.

У підручниках наведені приклади виведення формул на основі суто логічних міркувань, а тому можуть бути сприйняті як штучні висновки. Тому розгляд методів спостереження радіоактивного випромінювання потрібно провести як доказ того, що вчені мають належні експериментальні засоби, які дозволяють підтвердити справедливість запису закону радіоактивного випромінювання. Серед багатьох методів спостереження і реєстрації радіоактивного випромінювання заслуговують на увагу методи, які базуються на використанні лічильника Гейгера-Мюллера та камери Вільсона. Вони дозволяють не лише вимірювати інтенсивність радіоактивного випромінювання, але і з’ясовувати склад цього випромінювання, Ці методи залишаються і досі домінуючими в лабораторних ядерних дослідженнях. Принципи дії лічильника Гейгера-Мюллера і камери Вільсона доступні для розуміння учнями, які вже знайомі з явищами йонізації газу та конденсації перенасиченої пари.

Важливе місце в процесі вивчення фізики атомного ядра займає розгляд ядерних процесів з точки зору закону збереження енергії. Такий підхід дозволяє обґрунтувати походження енергії зв’язку нуклонів у ядрі. Знайомлячись з радіоактивним випромінюванням, учні дізнаються, що випромінювання має певну енергію, оскільки при взаємодії з речовиною спричинює різні фізичні явища: нагрівання, свічення тощо. Це свідчить про те, що частинки, які входять до складу випромінювання, мають певні (досить великі) швидкості і відповідні кінетичні енергії. Не викликає в учнів сумніву і твердження про енергію ?-випромінювання, яке за природою є електромагнітною хвилею.

Згідно з законом збереження енергії для надання енергії частинкам і ?-променям потрібно виконати роботу. Зрозуміло, що така робота може бути виконана лише в ядрі, з якого відбувається радіоактивне випромінювання. З’ясувати походження такої роботи можна шляхом аналізу причин стійкості атомних ядер.

До складу всіх ядер входять протони, які мають позитивні заряди, а тому між ними діють електромагнітні сили відштовхування. Тому самі протони не можуть утворити таку стійку структуру, якою є атомне ядро. Такі міркування дозволяють звернути увагу учнів на будову ядер заводневих елементів, структурними елементами яких обов’язково є нейтрони. Наявність нейтронів приводить до виникнення так званих ядерних сил, які мають обмінний характер і забезпечують велику стійкість атомних ядер З цих причин атомне ядро має внутрішню ядерну енергію. Для більшої переконливості зроблених висновків доцільно нагадати учням про внутрішню енергію тіл, одна зі складових якої пов’язана з взаємодією молекул.. Зрозуміло, що при розпаді ядра виконується робота і частинки та випромінювання набувають енергії.

Як приклад ядерної реакції традиційно розглядається реакція взаємодії ядер азоту та вільних α-частинок, наслідком якої є утворення ядер кисню та виділення вільного протона.

На прикладі цієї ( або подібної) реакції можна сформулювати правила зміщення в ядерних реакціях.

Залишається відкритим питання про залежність результатів ядерних реакцій від енергії первинних частинок до взаємодії. Це неможливо зробити через відсутність належної підготовки учнів.

Обов’язковою вимогою програми є ознайомлення учнів з енергетичним виходом ядерних реакцій на основі понять дефекту мас та енергії зв’язку. З цією метою розв’язується задача на порівняння маси ядра певного елемента і суми мас нуклонів, які входять до складу ядра. Потрібні для цього дані можна знайти в таблицях. На основі знань учнів про еквівалентність маси і енергії, одержаних при вивченні розділу “Основи спеціальної теорії відносності”, розраховується енергія зв’язку ядра або енергія частинок, які утворюються в реакції. Лише після цього вводиться атомна одиниця маси, як засіб спрощення розрахунків у ядерній фізиці. Виражена в енергетичному еквіваленті одна атомна одиниця маси приблизно дорівнює 931 МеВ.

Якщо явище радіоактивності становить лише певний теоретичний інтерес для пізнання найпростіших закономірностей світу атомних ядер, то вивчення явища поділу ядер дозволяє розкрити основні напрямки практичного застосування ядерної енергії, що стало можливим лише після відкриття явища спонтанного поділу ядер урану.

Найбільш зручною для пояснення реакції поділу урану є крапельна модель ядра атома. Така модель дозволяє провести аналогію між розпадом ядра і кипінням краплі рідини, що дозволяє забезпечити належний рівень наочності при вивченні нового матеріалу.

Повідомивши, що для ядер урану властива здатність спонтанно розпадатися з виділенням кількох нейтронів, розглядається процес проходження ядерної ланцюгової реакції. Попадаючи в ядро урану, нейтрони порушують рівновагу нуклонів у ядрі, внаслідок чого відстані між нуклонами та форма ядра змінюються і утворюється так звана гантель, яка потім розпадається на два осколки приблизно однакової маси. Обов’язково потрібно звернути увагу учнів на те, що при розпаді утворюється три чи більше швидких нейтронів. Ці нейтрони захоплюються іншими атомами і при певних умовах спричинюють їх розпад. Оскільки в такому випадку кількість вільних нейтронів швидко зростає, то зростає і кількість атомів, які зазнали розпаду. При цьому зростає загальна енергія у вигляді кінетичної енергії осколків і γ-променів.

Цей процес ілюструється прикладом реакції розпаду ядер урану та схемами такого розпаду (мал. 63).

Після цього варто розглянути три можливих шляхи розвитку реакції розпаду ядер урану:

а) значна частина нейтронів втрачається, вилітаючи з урану або поглинаючись домішками інших речовин;

б) кількість випромінених і поглинутих нейтронів підтримується сталою;

в) кількість нейтронів і ядер, які розпалися, зростає в геометричній прогресії.

Згідно з такими задекларованими випадками робляться відповідні висновки:

а) реакція поділу швидко затухає, спостерігаються лише спонтанні акти розпаду ядер (радіоактивність);

б) реакція поділу проходить стабільно, виділення енергії відбувається рівномірно;

в) швидкість виділення енергії різко зростає, що веде до вибуху.

Такий аналіз дозволить обминути необхідність розгляду атомної бомби і відразу “сконструювати” атомний реактор. Відповідно до викладених вище висновків така конструкція повинна складатися з ядерного паливо, уповільнювача нейтронів, поглинача нейтронів, системи відводу енергії і охолодження реактора. Розглядаючи будову атомної електростанції, важливо показати, що по суті це теплова електростанція, але джерелом енергії є не хімічне, а ядерне паливо (мал. 64).

Так можна спростити процес розгляду прикладів мирного використання ядерної енергії.

Перспективним напрямком розвитку ядерної енергетики є використання енергії, яка виділяється в реакціях ядерного синтезу. Усталилася така методика вивчення цього питання, в якій висновки про можливість виділення енергії при синтезі важких ядер з легких робиться на основі аналізу графіка залежності питомої енергії нуклонів від порядкового номера хімічного елемента (мал. 65).

Наявність крутого підйому кривої на графіку свідчить про можливість двох шляхів одержання ядерної енергії – при розпаді і при синтезі ядер. Якщо перший шлях розкривається на прикладі поділу ядер урану, то другий шлях можна проілюструвати на прикладі утворення гелію при реакції ядер дейтерію та тритію:

Важливо вказати, що така реакція можлива лише за температури порядку 10⁸ К, але завдяки дослідженням вона вже здійснена в термоядерних реакторах типу “Токамак”. У природніх же умовах подібні реакції відбуваються в надрах Сонця та інших зірок.

Актуальним питанням сучасної ядерної енергетики є боротьба з екологічними наслідками використання ядерної енергії. До них потрібно віднести проблему поховання відпрацьованого ядерного палива, яке має досить велику залишкову радіоактивність, забруднення навколишнього середовища радіоактивним викидами і пов’язані з цим зміни екосистеми Землі. Наочним прикладом цього може бути аварія на Чорнобильській АЕС. Ця аварія привела не тільки до загибелі людей під час аварії, але і до масових захворювань людей, які живуть на забруднених територіях. Радіоактивне випромінювання, діючи на живі організми, руйнує його структурні елементи, викликає утворення шкідливих речовин, які отруюють організм. Опромінення організму приводить до зміни генетичного коду живих організмів, що приводить до появи мутантів і інших спотворень.

Закінчується вивчення розділу вивченням властивостей елементарних частинок. У цілому, цей матеріал вивчається в плані ознайомлення на основі таблиці, в якій приведена класифікація елементарних частинок. Такі таблиці є в підручниках для випускних класів, де програмою передбачене вивчення ядерної фізики. У процесі розгляду класифікації і властивостей найбільш поширених елементарних частинок окрему увагу потрібно приділити порівнянню властивостей частинок і античастинок. У процесі анігіляції, який відбувається між ними, проявляється єдність двох видів матерії – речовини і поля. Такі висновки важливі для формування в учнів наукового світогляду, для формування в учнів сучасної наукової картини світу.

5. Типові задачі

На розрахунок атомних реакцій на основі законів збереження маси і електричного заряду

Під час бомбардування ізотопу Бору α-частинками утворюється ізотоп азоту . Яка частинка при цьому викидається?

На розрахунок дефекту мас і енергії зв’язку ядер

Визначити енергію зв’язку ядра Алюмінію .

На розрахунок енергетичного виходу ядерних реакцій розпаду ядер урану та синтезу важких ядер з легких

Унаслідок поділу одного ядра Урану на два осколки виділяється приблизно 200 МеВ енергії. Яка енергія виділиться при спалюванні в ядерному реакторі 1 г цього ізотопу? Порівняти її з енергією, яка виділяється при утворенні такої ж кількості гелію в термоядерній реакції ядер Дейтерію та Тритію.