Радиоактивность. Радиоактивные превращения

Тип урока: урок изучения нового материала
Цель урока: изучить явление радиоактивности; радиоактивных превращений.
Задачи:
образовательная - ознакомление учащихся с явлением радиоактивности и его физической природы; правила смещения; расширение представлений учащихся о физической картине мира;
развивающая – отработать навыки физической природы радиоактивности, радиоактивных превращений, правил смещения по периодической системе химических элементов; продолжить развитие навыков работы с опорным конспектом, таблицами и схемами; продолжить развитие навыков работы с учебной литературой (выделении главного, изложение материала, развитие внимательности, умений сравнивать, анализировать и обобщать факты), способствовать развитию критического мышления;
воспитательная – способствовать развитию любознательности, формировать умение излагать свою точку зрения и отстаивать свою правоту.
Оборудование: Периодическая таблица Менделеева Д.И.; таблица электромагнитных волн; таблица физической природы радиоактивности, кроссворд.
План урока:
I Вступительное слово учителя, постановка цели урока;
II Повторение (фронтальный опрос)

Рефлексия

1. Первая модель атома;
2. Вторая модель атома;
3. Какие частицы входят в состав ядра?
4. Кто предложил протонно-нейтронную модель ядра?
5. Какие силы действуют между протонами в ядре?
6. Назовите основные особенности ядерных сил?
7. Что называется энергией связи ядра?
8. Что называется ядерными реакциями?
9. Записать на доске первое искусственное превращение ¹⁴₇N в ¹⁷₈O.

III Изложение нового материала.
IV Отработка изученного материала. Решение задач. Самостоятельная работа по индивидуальным карточкам.
V Подведение итогов. Домашнее задание.
Небольшие сообщения о Марии Склодовской-Кюри, Ф. Содди, о ритуале присуждения вручения Нобелевских премий учащиеся могут подготовить заранее, воспользовавшись информацией с CD или на сайте.
Конспект урока:
1. Организационный момент (название новой темы)
Учитель. Эпиграфом к сегодняшнему уроку послужат слова:

«Блажен, кто явственно узрел
Хотя бы скорлупу природы».

Всего две строчки из стихотворения Гёте, а какой глубокий в них смысл!
Действительно, у природы много тайн и загадок, раскрывает она их не охотно, поэтому каждая очередная разгадка – важный шаг человечества на путь к познанию мира.
Вот и вам сегодня предлагается приоткрыть занавес тайны…радиоактивности.
Открыли рабочие тетради. Записали число и тему урока.
1. Новый материал. Слова радиоактивности, радиоактивного излучения, радиоактивные элементы знают сегодня все. Многие, наверное знают и то, что радиоактивные излучения служат человеку: они позволяют в ряде случаев поставить правильный диагноз болезни, лечат опасные заболевания, повышают урожайность культурных растений.
В чем же состоит явление радиоактивности?
Немного истории. (используется таблица электромагнитных волн). Изучая тему «Электромагнитные волны» вы познакомились с рентгеновскими лучами, которые обнаруживаются вследствие свечения катодной трубки и имеют большую проникающую способность. Благодаря этому, открытие Рентгена навсегда вошло в арсенал медицины.
Открытие рентгеновских лучей дало толчок новым исследованиям. Их излучение привело к новым открытиям, одним из которых явилось открытие радиоактивности.
Понедельник, 20 января 1896 год. Франция. Около 70 членов Парижской академии наук слушают сообщение Пуанкаре об открытии Рентгена. По рядам пускаются рентгеновские снимки рук, сделанные уже в Париже. Комментируя открытия Рентгена, Пуанкаре высказывает гипотезу о том, что  рентгеновские лучи испускаются по фосфоресценции независимо от наличия катодных лучей.
Выслушав сообщение Пуанкаре, Андре Беккерель тут же помчался в лабораторию, чтобы проверить его гипотезу. (Можно предположить, что в семье Беккерелей о люминесцирующих веществах знали всё или почти всё, что к тому времени было известно науке. Отец Андре Беккереля построил фосфороскоп, дал научную классификацию явлении фосфоресценции и установил целый ряд ее закономерностей. Все они – А. Беккерель, его отец и дед были академиками, а к моменту описываемых событий общий стаж их научной работы составлял около 330 лет, из которых 84 года приходилось на членство в Академии наук.)
Обернув фотопластину черной бумагой, он положил на нее металлическую пластинку причудливой формы, покрытую слоем соли урана. (Эта соль в виде SO₄(UO)K + H₂O в  «кристаллов, образующих корочку тонкую и прозрачную»).
Дав 4-х-часовую выдержку на солнечном свете, Беккерель проявил фотопластинку и увидел на ней точный силуэт металлической фигурки. Он повторял опыты с большими вариациями, получая отпечатки ключа, монеты; отделяя соли урана от фотопластинки стеклом во избежание химического воздействия. Все опыты подтверждали гипотезу Пуанкаре (о рентгеновских лучах), но … вот как выглядел первый рассказ  А. Беккереля об этом:
«Среди предыдущих экспериментов некоторые были подготовлены в среду 26 и четверг 27 февраля, а так как в те дни солнце показывалось с перерывами, я законсервировал эксперименты, полностью приготовленные, и вернул кассеты в темноту, в мебельный ящик, оставив на месте пластиночки урановой соли. В последующие дни солнце снова не показалось, я проявил пластинки 1 марта, надеясь найти очень слабые изображения. Силуэты, напротив показались с большой интенсивностью»(C.R. 1896, т. 122, №9, р.502)
Ничего не понимая, Беккерель решил повторить случайный опыт. Результат тот же. Ясно одно, Х-лучи ничего общего с фосфоресценцией не имеют. И Беккерель начинает разбираться. Он берет сернистые металлы, обладающие свойством фосфоресценции. Целыми днями держит их на солнце, освещает их вспышками магния, а отпечатков на фотопластинках все нет и нет.
Итак, Беккерель делает вывод, что соли урана самопроизвольно, без влияния внешних факторов создают какое-то излучение – нового порядка.
2. А. Беккерель продолжает изучать открытые им лучи. Однажды, демонстрируя своему гостю излучение урановых образцов, он задал ему вопрос в виде просьбы:
«Ведь вы физик и химик одновременно. Проверьте, нет ли в этих излучающих телах примесей, которые могли бы играть особенную роль».
И этот, казалось бы, частный вопрос хозяин стал научной программой исследований молодой четы: Пьера Кюри (1859 – 1906) и его жены Марии Склодовской-Кюри (1867 – 1934)

Доклад учащихся о Марии Кюри.
Мария Склодовская-Кюри выдающийся физик и химик. Родилась в 1867 году в Варшаве. Работала во Франции. Внесла ценнейший вклад в создании учения о радиоактивности. Совместно с мужем П. Кюри обнаружили излучение у тория(²³²₉₀То), а затем, переработав огромное количество урановой руды, выделили новые химические элементы, названные ими полонием(²¹⁰₈₄Ро) и радием(²²⁶₈₈Ra). Исследовала их свойства. Мария Кюри дважды получила Нобелевскую премию: по физике и химии.
Она установила влияние радиоактивного излучения на живую клетку, первая использовала радиоактивность в медицине.
В годы первой мировой войны организовала 220 передвижных рентгеновских установок для госпиталей Франции. Умерла в 1934 году от лейкемии.
Учитель.  Исследования М. Склодовской и П. Кюри увенчались успехом. Они обнаружили излучение у тория, а затем, переработав огромное количество урановой руды, выделили новые химические элементы, названные ими полонием и радием (лучистым). Само же явление самопроизвольного излучения было названо супругами Кюри радиоактивностью.
Впоследствии было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными. Радиоактивные изотопы имеются у более легких ядер.
В 1903 году Анри Беккерелю, Марии и Пьеру Кюри присуждена Нобелевская премия по физике за выдающиеся открытия в области радиоактивности.
Сообщения учащихся о ритуале присуждения и вручения Нобелевских премий.
Нобелевская премия называется по имени фабриканта, инженера, изобретателя динамита Альфреда Нобеля. Изобретение динамита принесло Нобелю огромное состояние. 27 ноября 1895 года за год до смерти Нобель завещал свое состояние в 31 миллион долларов для поощрения научных исследований во всем мире и для поддержания наиболее талантливых ученых в области физики, химии, биологии и медицины. Согласно завещанию Нобеля, Шведская академия наук каждый год осенью называет имена лауреатов после внимательного рассмотрения предложенных крупными учеными их работ. Вручение премии происходит 10 декабря в день смерти Нобеля.
Сообщение
Почетный диплом, медаль и денежный чек вручает лауреатам сам король Швеции. После вручения премии в Золотом зале Стокгольмской ратуши в честь лауреатов устраивается пышный прием. На следующий день каждый лауреат выступает с докладом в университете.
Среди Нобелевских лауреатов есть советские и российские физики: И.Е. Тамм, И.М. Франк, П.А. Черенков, Л.Д. Ландау, И.Г. Басов, А.М. Прохоров, Н.Н. Семенов, П.Л. Капица, А.А. Сахаров, Ж. Алферов, А.И. Абрикосов.

Учитель. 3. Физическая природа радиоактивности.
Каков состав, природа и свойства радиоактивных излучений?                   
Классический опыт показан на рисунке.(Плакат на доске). Радиоактивный препарат помешался на дно узкого канала в куске свинца. Против канала помещалась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, перпендикулярное пучку. Вся установка размещалась в вакууме.
В отсутствие магнитного поле на фотопластинке после проявления обнаруживалось одно темное пятно, точно против канала, а в магнитном поле пучок распадался на 3 пучкаДве составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны. Это определенно указывало на наличие у этих составляющих электрических зарядов противоположных знаков; отрицательная компонента излучения отклонялась в магнитным полем гораздо больше, чем положительная. Третья составляющая не отклонялась магнитным полем. Положительно заряженная компонента получило название альфа-лучей, отрицательно заряженная – бета-лучи и нейтральная – гамма-лучи.

Эти три вида излучения очень сильно отличаются друг от друга по проникающей способности, т.е. по тому, насколько интенсивно они поглощаются различными веществами.

Три вида излучения изучаются с помощью таблицы:

Вопросы учителя:
Актуализация знаний

• Почему в магнитном поле радиоактивное излучение распалось на три пучка?
• Какова природа α-частицы? Каков ее заряд и масса?
• Что представляют собой β-частицы?
• С какой скоростью распространяются γ-лучи? Какие свойства γ-лучей вы знаете?

Учитель. 4. Радиоактивные превращения.
Что же происходит с веществом при радиоактивном распаде?
Уже самые первые опыты, проделанные Резерфордом совместно с английским ученым Ф. Содди, убедили их, что при радиоактивном распаде происходит превращение одних химических элементов в другие.
Теперь представьте себе, что много веков торжествовала идея Демокрита о неизменности атома («Сложен мир из мельчайших частиц»,- так считал древний грек … Демокрит) и в начале ХХ века она ставится под сомнение.
Цепочки превращений испытали радиоактивные элементы: актиний, торий, уран. Общий вывод, к которому пришли ученые, сформировал Резерфорд (стр. 137 учебника).
Итак, запишите в тетрадь определение: радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц или ядер.
Правила смещения.
Превращение ядер подчиняется правилу смещения, сформулированному впервые английским ученым Ф. Содди.
Сообщение учащихся о Ф. Содди (портрет ).
Фредерик Содди (2.09.1877 – 22.09. 1956) – английский физик, один из пионеров радиоактивности, член Лондонского королевского общества.
Вместе с Резерфордом разработал в 1902-1903 г. теорию радиоактивного распада и сформулировал закон радиоактивных превращений. В 1903 г. доказал наличие гелия в продуктах излучения радия. Независимо от других в 1918 г. открыл протактиний. Сформулировал α – правило. В 1913 г. Установил правило смещения при радиоактивном распаде.
Учитель. α – распад: Ядро теряет положительный заряд 2ē и масса его убывает на 4 а.е.м. Элемент смещается на 2 клетки к началу периодической системы.
^A_ZХ α → ^A-4Z-2Y + ⁴₂He
β – распад: из ядра вылетает электрон, заряд увеличивается на  единицу, а масса остается почти неизменной. Элемент смещается на 1 клетку к концу периодической системы.
^A_ZХ β → ^A_Z+1Y + ⁰_-1e
Проблемная ситуация. Вопрос к классу:
Если вы внимательно следите за моими рассуждениями, то должны мне задать вопрос. (Как же из ядра вылетают электроны, если их там нет?!!!) Ответ: приβ – распаде нейтрон превращается в протон с испусканием электрона
¹₀n → ¹₁p + ⁰_-1e + υ (υ - антинейтрино)
γ – излучение не сопровождается изменением заряда, масса же ядра меняется ничтожно мало.
Вопросы:
Актуализация знаний

1. Что называется радиоактивностью?
2. Какие известные вам законы сохранения выполняются при радиоактивных превращениях?

Решение задач.

Учитель у доски разбирает решение задач на правило смещения:
Задача 1: Изотоп тория ²³⁰₉₀Th испускает α-частицу. Какой элемент при этом образуется?
Решение: ²³⁰₉₀Th α → ²²⁶₉₈Ra + ⁴₂He
Задача 2: Изотоп тория ²³⁰₉₀Th испускает β-радиоактивен. Какой элемент при этом образуется?
Решение: ²³⁰₉₀Th  β → ²³⁰₉₁Рa + 0-1e
Решение задач учащимися у доски:
Задача: Протактиний ²³¹₉₁Рa α –радиоактивен. С помощью правил «сдвига» и таблицы элементов Менделеева определите, какой элемент получается с помощью этого распада.
Решение: ²³¹₉₁Рa α → ²²⁷₈₉Ас + ⁴₂Не
Задача: В какой элемент превращения уран ²³⁹₉₂U после двух β – распадов и одного α – распада?
Решение: ²³⁹₉₂U  β → ²³⁹₉₃Np β → ²³⁹₉₄Pu α → ²³⁵₉₂U
Задача: Написать цепочку ядерных превращений неона:  β, β, β, α, α, β, α, α
Решение: ²⁰₁₀Ne β → ²⁰₁₁Na β → ²⁰₁₂Mg β → ²⁰₁₃Al α → ¹⁶₁₁Na α → ¹²₉F β → ¹²₁₀Ne α →⁸₈O α → ⁴₆C
Самостоятельная работа (индивидуально, по карточкам (дифференциальный подход к учащимся)).

• Итог урока. Домашнее задание. Оценки за урок.
• Домашнее задание § 99, 100, 101.
• Во время  подведения итога урока 2 учащихся проверяют самостоятельную работу.

Итог урока:
*Актуализация знаний
Вопрос к классу:

• Какую тему вы сегодня изучали на уроке?
• А знаете ли вы, как переводится слово радиоактивность? Отгадав кроссворд, вы узнаете от какого слова произошло название радиоактивности.

1. Кто из ученых открыл явление радиоактивности?
2. Имя женщины – ученой, ставшей Нобелевским лауреатом дважды.
3. Что находиться в центре атома?
4. Изотоп полония 21084Ро α-радиоактивен. Какой элемент при этом образуется?
5. Как по другому можно назвать протоны и нейтроны?
6. Фамилия ученого, первым установившего существование электрона.

(Радиоактивность – радиус, луч)

Ответы:

1. Беккерель
2. Мария                           
3. Ядро                                                                        
4. Свинец
5. Нуклоны
6. Томсон

Учитель:
На следующем занятии мы познакомимся с:

• законом радиоактивного распада;
• получением искусственным путем радиоактивных изотопов и их применение;
• биологическим действием радиоактивного излучения.

Оценки за урок.
Оценки за самостоятельную работу.
Урок закончен. Спасибо всем.

Дополнительная литература:

[1] Г.Я Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н,Н, Сотский. Физика 11. М, Просвещение, 2007 г.
[2] Ф.М. Дягилев. Из истории физики и жизни ее творцов. М, Просвещение, 1986 г.
[3] Журнал. Физика в школе №2, 1990 г.
[4] О.Ф. Кабардин. Физика, М, Просвещение, 1988 г.
[5] С.Е. Каменецкий, В.П. Орехов. Методика решения задач по физике в средней школе, М, Просвещение, 1987 г.