Радиоактивные превращения физика 11 класс кратко

Обновлено: 04.07.2024

Загрузить презентацию (130 МБ)

Тип урока: урок изучения нового материала

Цели урока: ввести и закрепить понятия радиоактивности, альфа-, бета-, гамма-излучения и периода полураспада; изучить правило смещения и закон радиоактивного распада.

Задачи урока:

а) образовательные задачи - объяснить и закрепить новый материал, познакомить с историей открытия явления радиоактивности;

б) развивающие задачи - активизировать мыслительную деятельность учащихся на уроке, реализовать успешное овладение новым материалом, развивать речь, умение делать выводы;

в) воспитательные задачи - заинтересовать и увлечь темой урока, создать личную ситуацию успеха, вести коллективный поиск по сбору материала о радиации, создать условия для развития у школьников умения структурировать информацию.

Ход урока

Учитель:

- Ребята, предлагаю вам выполнить следующее задание. Найдите в списке слова, обозначающие явления: ион, атом, протон, электризация, нейтрон, проводник, напряжённость, электричество, диэлектрик, электроскоп, заземление, поле, оптика, линза, сопротивление, напряжение, вольтметр, амперметр, заряд, мощность, освещение, радиоактивность, магнит, генератор, телеграф, компас, намагничивание. Слайд №1.

- Дайте определения этим явлениям. Для какого явления мы ещё не можем дать определение? Правильно, для радиоактивности. Слайд №2.
- Ребята, тема нашего занятия – радиоактивность.

- Молодцы, вы очень хорошо осведомлены! А теперь давайте послушаем материал докладчиков.
Дети рассказывают об ученых (Приложение №1 о А.Беккереле, Приложение №2 о М.Склодовской-Кюри, Приложение №3 о П.Кюри) и показывают слайды № 3 (о А.Беккереле), № 4 (о М.Склодовской-Кюри), №5 (о П.Кюри).

Учитель:
- Сто лет назад, в феврале 1896г, французский физик Анри Беккерель обнаружил самопроизвольное излучение солей урана 238 U, однако он не понимал природы этого излучения.

В 1898г супруги Пьер и Мария Кюри открыли новые, ранее неизвестные элементы – полоний 209 Po и радий 226 Ra, у которых излучение, аналогичное излучению урана, было значительно более сильным. 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. Слайд №6.

- Химические элементы с номера 83 являются радиоактивными, то есть самопроизвольно излучают, причем, степень излучения не зависит от того, в состав какого соединения они входят. Слайд №8.

- Что же представляет из себя радиоактивное излучение? Предлагаю вам самостоятельную работу с текстом: стр. 222 учебника Ф-11 Л.Э.Генденштейна и Ю.И.Дика.

- Ребята, ответьте 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.)

- Итак (Слайд №10), в 1899 г Эрнест Резерфорд обнаружил неоднородность излучения. Исследуя излучение радия в магнитном поле, он обнаружил, что поток радиоактивного излучения имеет сложную структуру: состоит из трех самостоятельных потоков, названных α-, β- и γ-лучами. При дальнейших исследованиях оказалось, что α-лучи представляют из себя потоки ядер атомов гелия, β-лучи – потоки быстрых электронов, а γ-лучи есть электромагнитные волны с малой длиной волны.

- Но эти потоки различались еще и своими проникающими способностями. Слайды №11,12.

- Превращение атомных ядер часто сопровождается испусканием α-, β-лучей. Если одним из продуктов радиоактивного превращения является ядро атома гелия, то такую реакцию называют α-распадом, если же – электрон, то β-распадом.

Эти два распада подчиняются правилам смещения, которые впервые сформулировал английский ученый Ф.Содди. Давайте посмотрим, как выглядят эти реакции.

Слайды №13 и №14 соответственно:

1. 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:

2. При β-распаде из ядра вылетает электрон, что увеличивает заряд ядра на 1е, масса же остается почти неизменной. В результате β-распада элемент смещается на одну клетку к концу периодической таблицы Менделеева.

- Кроме альфа- и бета-распадов радиоактивность сопровождается гамма-излучением. При этом из ядра вылетает фотон. Слайд №15.

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

- Давайте попробуем решить задачи на написание ядерных реакций: №20.10; №20.12; №20.13 из сборника заданий и самостоятельных работ Л.А.Кирика, Ю.И. Дика.
- Ядра, которые возникли в результате радиоактивного распада, в свою очередь также могут быть радиоактивны. Возникает цепочка радиоактивных превращений. Ядра, связанные с этой цепочкой, образуют радиоактивный ряд или радиоактивное семейство. В природе существует три радиоактивных семейства: урана, тория и актиния. Семейство урана заканчивается свинцом. Измеряя количество свинца в урановой руде, можно определить возраст этой руды.

- Резерфорд опытным путём установил, что активность радиоактивных веществ убывает с течением времени. Для каждого радиоактивного вещества существует интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза. Это время называется периодом полураспада Т.

- Как же выглядит закон радиоактивного распада? Слайд №16.

- Закон радиоактивного распада установлен Ф. Содди. По формуле находят число не распавшихся атомов в любой момент времени. Пусть в начальный момент времени число радиоактивных атомов N₀. По истечении периода полураспада их будет N₀/2. Спустя t = nT их останется N₀/2 п.

- Период полураспада – основная величина, определяющая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем меньше времени живут атомы, тем быстрее происходит распад. Для разных веществ период полураспада имеет разные значения. Слайд №17.

- Одинаково опасными являются как быстро, так и медленно распадающиеся ядра. Быстро распадающиеся ядра интенсивно излучают за малый промежуток времени, а медленно распадающиеся ядра радиоактивны на большом интервале времени. С различными уровнями радиации человечество встречается как в естественных условиях, так и в искусственно созданных обстоятельствах. Слайд № 18.

- Радиоактивность имеет как отрицательное, так и положительное значение для всего живого на планете Земля. Ребята, давайте посмотрим маленький кинофрагмент о значении радиации для жизни. Слайд №19.

- И в заключение нашего урока давайте решим задачу на нахождение периода полураспада. Слайд №20.

Домашнее задание:

§31 по учебнику Генденштейна Л.Э и Дика Ю.И., ф-11;
с/р №21 (н.у.), с/р №22 (н.у.) по сборнику задач Кирика Л.А. и Дика Ю.И., ф-11.

Методическое обеспечение

Что же происходит с веществом при радиоактивном излучении?
Уже в самом начале исследований радиоактивности обнаружилось много странного и необычного.

Во-первых, удивительным было постоянство, с которым радиоактивные элементы уран, торий и радий испускают излучения.
На протяжении суток, месяцев и даже лет интенсивность излучения заметно не изменялась.
На нее не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание и увеличение давления.
Химические реакции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения.

Во-вторых, очень скоро после открытия радиоактивности выяснилось, что радиоактивность сопровождается выделением энергии.
Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр.
В нем поглощались α-, β- и γ-лучи, и за счет их энергии калориметр нагревался.
Кюри определил, что радий массой 1 г выделяет за 1 ч энергию, примерно равную 582 Дж.
И такая энергия выделяется непрерывно на протяжении многих лет!

Откуда же берется энергия, на выделение которой не оказывают никакого влияния все известные воздействия?
По-видимому, при радиоактивности вещество испытывает какие-то глубокие изменения, совершенно отличные от обычных химических превращений.
Было сделано предположение, что превращения претерпевают сами атомы.
Сейчас эта мысль не может вызвать особого удивления, так как о ней ребенок может услышать еще раньше, чем научится читать.
Но в начале XX в. она казалась фантастической, и нужна была большая смелость, чтобы решиться высказать ее.
В то время только что были получены бесспорные доказательства существования атомов.
Идея Демокрита об атомистическом строении вещества наконец восторжествовала.
И вот почти сразу же вслед за этим неизменность атомов ставится под сомнение.

Итак, при радиоактивном распаде происходит цепочка последовательных превращений атомов.
Остановимся на самых первых опытах, начатых Резерфордом и продолженных им совместно с английским химиком Ф. Содди.

Резерфорд обнаружил, что активность тория, определяемая как число а-частиц, испускаемых в единицу времени, остается неизменной в закрытой ампуле.
Если же препарат обдувается даже очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменьшается.
Ученый предположил, что одновременно с α-частицами торий испускает какой-то радиоактивный газ.

Отсасывая воздух из ампулы, содержащей торий, Резерфорд выделил радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность.
Оказалось, что активность этого газа (в отличие от активности тория, урана и радия) очень быстро убывает со временем.
Каждую минуту активность убывает вдвое, и через десять минут она становится практически равной нулю.
Содди исследовал химические свойства этого газа и установил, что он не вступает ни в какие реакции, т. е. является инертным газом.
Впоследствии этот газ был назван радоном и помещен в периодической системе Д. И. Менделеева под порядковым номером 86.

Превращения испытывали и другие радиоактивные элементы: уран, актиний, радий.
Общий вывод, который сделали ученые, был точно сформулирован Резерфордом: «Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизменениям.
В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается.
В подавляющем большинстве случаев выбрасывается с огромной скоростью осколок атома — α-частица.
В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью и называемых γ-излучением.

Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества.
Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения.

После того как было открыто атомное ядро, сразу же стало ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактивных превращениях.
Ведь α-частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов оболочки на единицу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент.
Выброс же электрона из ядра меняет заряд ядра (увеличивает его) на единицу.

Итак, радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц.

Правило смещения

Превращения ядер подчиняются так называемому правилу смещения, сформулированному впервые Содди.

При α-распаде ядро теряет положительный заряд 2е и его масса М убывает примерно на четыре атомные единицы массы.
В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы.

Здесь элемент обозначается, как и в химии, общепринятыми символами: заряд ядра записывается в виде индекса слева внизу у символа, а атомная масса — в виде индекса слева вверху у символа.
Например, водород обозначается символом
Для α-частицы, являющейся ядром атома гелия, применяется обозначение и т. д.
При β-распаде из ядра вылетает электрон.
В результате заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной:

Здесь обозначает электрон: индекс 0 вверху означает, что масса его очень мала по сравнению с атомной единицей массы, - электронное антинейтрино — нейтральная частица с очень малой (возможно, нулевой) массой, уносящая при β-распаде часть энергии.
Образованием антинейтрино сопровождается β-распад любого ядра и в уравнениях соответствующих реакций эту частицу часто не указывают.

После β-распада элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы..

Гамма-излучение не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.

Согласно правилу смещения при радиоактивном распаде сохраняется суммарный электрический заряд и приближенно сохраняется относительная атомная масса ядер.
Возникшие при радиоактивном распаде новые ядра могут быть также радиоактивны и испытывать дальнейшие превращения.

Итак,
при радиоактивном распаде происходит превращение атомных ядер.

Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика

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

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.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б.,Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 310 – 327, 346 – 350.
Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс М.: Дрофа,2009.
Николай Алов. Мария Кюри. Подвиг длиною в жизнь. Бослен, 2013г.

Основное содержание урока

Радиоактивность – превращение нестабильных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием различных частиц. Радиоактивное излучение бывает трёх видов: альфа-, бета-, гамма- лучи.

Альфа-лучи – это поток положительных частиц, представляющих собой ядра атома гелия.

Бета-лучи – это поток электронов.

Гамма-лучи – это электромагнитные волны высокой частоты.

Схема α - распада:

Схема - распада:

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

Закон радиоактивного распада:

Искусственная радиоактивность – это возникновение радиоактивных ядер в результате захвата частиц устойчивыми ядрами нерадиоактивных элементов или в результате слияния или распада ядер.

Разбор тренировочных заданий

Какой порядковый номер в таблице Менделеева имеет элемент, который образуется в результате β - -распада ядра элемента с порядковым номером Z?

Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов): 3) Z + 1;

Подсказка: вспомните правило смещения.

После открытия радиоактивности некоторых химических элементов началось изучение механизма этого явления. Выяснилось, что радиоактивные образцы вещества медленно самопроизвольно превращаются в совсем другие вещества, которых не существовало в образце ранее. Кратко поговорим о радиоактивных превращениях атомных ядер.

Открытие радиоактивных превращений

Рис. 1. Открытие радиоактивности.

Вскоре после открытия радиоактивности урана П. Кюри обнаружил радиоактивность тория, а потом еще два радиоактивных вещества с гораздо большей радиоактивностью, чем у чистого урана, — полоний и радий. Выяснилось, что радиоактивные вещества не только испускают невидимые лучи — они постоянно выделяют тепловую энергию.

1 г. чистого радия ежечасно выделяет около 0,5 кДж тепловой энергии. С помощью этой энергии можно нагреть 1 г воды от нулевой температуры до точки кипения.

Радиоактивность сохранялась неизменной в течение долгого времени, и было ясно, что в веществе происходят какие-то важные процессы, которые обеспечивают энергию радиоактивности. Эти процессы изучались в ходе опытов Ф. Содди и Э. Резерфорда. Например, активность тория оставалась постоянной в запаянной ампуле. Однако, если ампулу вскрыть, активность тория быстро уменьшается. Предположили, что в ампуле с торием образуется газ, являющийся радиоактивным, который обладает большей радиоактивностью, чем торий.

Предположение подтвердилось. Из воздуха ампулы удалось выделить газ, впоследствии названный радоном, радиоактивность которого была больше, чем у тория, но быстро уменьшалась со временем. Через 10–15 минут она полностью исчезала. То же самое выяснилось при исследовании других радиоактивных веществ.

Все это позволило Э. Резерфорду сделать вывод, что атомы радиоактивных веществ самопроизвольно превращаются в атомы других веществ, при этом выделяется энергия, гораздо большая по сравнению с энергией химических реакций.

Позже оказалось, что радиоактивными являются все элементы с порядковым номером больше 82.

Виды радиоактивных превращений

Изучение радиоактивных превращений выявило, что основными видами являются два.

При альфа-распаде номер элемента уменьшается на две единицы, а массовое число — на четыре. При этом ядро испускает альфа-частицу (ядро гелия). Альфа-распаду подвержены большинство тяжелых ядер.
При бета-распаде номер элемента увеличивается на единицу, а массовое число — остается прежним. Бета-распаду подвержены в основном ядра, в которых имеется избыток нейтронов, поскольку при этом нейтроны теряют устойчивость.

При обоих видах распада часто происходит также испускание гамма-квантов — электромагнитного излучения высокой энергии.

Рис. 2. Виды радиоактивного распада.

Радиоактивные ряды

Поскольку при радиоактивном распаде номер элемента уменьшается максимум на две единицы, а существуют элементы с номерами гораздо больше 82, получается, что после радиоактивного распада ядро всё равно остается радиоактивным и тоже подвержено распаду.

В результате элементы можно выстроить в целые радиоактивные ряды, в каждом из которых происходят цепочки превращений одних веществ в другие. И поскольку во время распада массовое число может измениться только на четыре единицы, существует четыре радиоактивных ряда, в которых список элементов различен:

Рис. 3. Радиоактивные ряды.

Что мы узнали?

Радиоактивное превращение — это самопроизвольное превращение ядра тяжелого элемента в ядро другого, более легкого элемента. Наиболее частыми являются альфа- и бета- радиоактивность. Поскольку продукт радиоактивного распада нередко сам радиоактивен, можно составить целые цепочки радиоактивных превращений.

Раздел ОГЭ по физике: 4.1. Радиоактивность. Альфа-, бета-, гамма-излучения. Реакции альфа- и бета-распада.

Радиоактивностью называют явление самопроизвольного излучения некоторых химических элементов, а вид этого излучения называют радиоактивным излучением. Первым радиоактивное излучение обнаружил Анри Беккерель, который, проводя эксперименты с солями урана, по почернению фотопластинки установил, что они самопроизвольно испускают невидимое излучение сильной проникающей способности. В дальнейшем было обнаружено, что не только уран, но и такие элементы, как радий и полоний, тоже испускают невидимое излучение.

Радиоактивность, которой обладают вещества, существующие в природе, называют естественной радиоактивностью. Она проявляется у всех элементов таблицы Д.И. Менделеева, порядковый номер которых больше 83. В дальнейшем было установлено, что и некоторые искусственно полученные вещества радиоактивны.

Резерфорд, изучая радиоактивное излучение, обнаружил его сложный состав. Он поместил радиоактивный препарат в свинцовый сосуд с отверстием. Над сосудом расположил фотопластинку, на которую падало радиоактивное излучение, выходившее через отверстие и прошедшее через магнитное поле.

Когда фотопластинку проявили, то на ней обнаружили три тёмных пятна. Одно пятно располагалось точно напротив отверстия. Это значит, что магнитное поле на него не действовало и заряженных частиц в этом излучении нет. Его назвали гамма-излучением (γ-излучение). Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение или поток фотонов.

Наличие двух боковых пятен по разную сторону от центрального означает, что существуют два излучения, состоящие из частиц, имеющих заряды противоположных знаков. Эксперимент показывает, что одно из них представляет собой поток положительно заряженных частиц. Их назвали α-частицами. Другое излучение состоит из отрицательно заряженных частиц. Их назвали β-частицами.

Радиоактивный распад

Радиоактивные элементы, испуская излучение, превращаются в другие элементы. При этом, поскольку излучение приводит к появлению нового химического элемента, можно сделать вывод, что изменения происходят именно с ядром атома. Радиоактивное превращение ядер одних элементов в ядра других элементов называют радиоактивным распадом. Существует три вида радиоактивного распада: альфа–, бета– и гамма–излучения.

Если – материнское ядро, то превращение этого ядра при альфа–распаде происходит по следующей схеме (правило смещения): , где – символ дочернего ядра; – ядро атома гелия.

При альфа–распаде происходит смещение химического элемента на две клетки влево в таблице Менделеева.

Бета–распад. Радиоактивные ядра могут выбрасывать поток электронов, которые рождаются, согласно гипотезе Ферми, в результате превращения нейтронов в протоны. В соответствии с правилом смещения массовое число ядра не изменяется: .

При бета–распаде химический элемент перемещается на одну клетку вправо в периодической системе Менделеева и, кроме электронов, испускается антинейтрино.

Гамма–излучение. Возникает при ядерных превращениях и представляет собой электромагнитное излучение. Имеет высокую энергию.

Э. Резерфорд установил, что воздух сильнее всего ионизуют альфа–лучи, в меньшей степени – бета–лучи и совсем плохо – гамма–лучи. Поэтому проникающая способность оказалась самая малая у альфа–лучей (лист бумаги, несколько сантиметров слоя воздуха), а бета–лучи проходят сквозь алюминиевую пластину толщиной в несколько миллиметров. Очень велика проникающая способность у гамма–лучей (например, для алюминия – пластины толщиной в десятки сантиметров).

Период полураспада

В процессе радиоактивного распада число радиоактивных атомов уменьшается. Распад разных радиоактивных веществ происходит с разной интенсивностью. Например, радиоактивные изотопы йода распадаются значительно быстрее, чем изотопы стронция. Характеристикой интенсивности радиоактивного распада является величина, называемая периодом полураспада.

Периодом полураспада Т называют промежуток времени, в течение которого распадается половина первоначального числа атомов радиоактивного вещества. Чем меньше период полураспада, тем быстрее распадутся все радиоактивные атомы.

Например, имеется 4 • 10 8 атомов радиоактивного изотопа йода, период полураспада которого 25 минут. Это означает, что в течение 25 минут распадается половина ядер изотопа иода, т.е. 2 • 10 8 ядер, а 2 • 10 8 ядер останется нераспавшимися. Еще через 25 минут нераспавшимися останется 10 8 ядер йода, еще через 25 минут — 0,5 • 10 8 ядер и так далее.

Особенностью закона радиоактивного распада является то, что невозможно предсказать, когда произойдет распад каждого конкретного атома. Оно может произойти во время одного периода полураспада, или двух, или трех. Период полураспада относится не к конкретному атому, а к совокупности атомов радиоактивного вещества.

Читайте также: