Цель урока: оценить значение открытий атомной и ядерной физики для энергетики и рассмотреть возможность использования законов ядерной физики в теории и на практике.
Задачи урока:
- Образовательные:
- обобщить и систематизировать знания учащихся о ядерных реакциях;
- закрепить понятия, связанные с радиоактивностью;
- познакомить учащихся с возможностями использования ядерной энергии;
- оценить положительные и отрицательные стороны использования ядерной энергии;
- продолжить формирование умений пользоваться дополнительными источниками информации;
- Воспитательные:
- сформировать мировоззренческие идеи, связанные с угрозой человечеству при использовании ядерной энергии;
- воспитывать стремление к овладению знаниями, к поиску интересных фактов;
- Развивающие:
- развивать интерес к предмету;
- развивать умение, отбирать необходимые знания из большого объёма информации, умение обобщать факты, делать выводы;
- совершенствовать навыки самостоятельной работы.
Методы проведения урока:
- решение разноуровневых задач по карточкам;
- фронтальный опрос;
- работа с таблицами, схемами;
- анализ полученных знаний.
Тип урока: комбинированный.
Оборудование: мультимедийный проектор, компьютер, графо-проектор, справочные таблицы, периодическая таблица химических элементов Д.И. Менделеева, телевизор.
ХОД УРОКА
1. Организационный этап
2. Повторение. Фронтальный опрос и индивидуальная работа по карточкам
Учитель: Любая физическая теория имеет ценность с точки зрения ее практического применения. Сегодня мы завершаем изучение теории атомного ядра. Поэтому начать урок я хочу словами Э. Резерфорда, человека, который помог человечеству заглянуть внутрь атома: «Так не бывает, чтобы экспериментаторы вели свои поиски ради открытия нового источника энергии или ради получения редких и дорогих элементов. Истинная побудительная причина лежит глубже и связана с захватывающей увлекательностью проникновения в одну из величайших тайн природы».
Пытливый ум побуждает учёных на поиск чего-то нового. Они делают открытия для души, ими движет желание проникнуть в тайны природы, а результаты их трудов в дальнейшем используются человечеством. А оно само решает, как использовать открытие: во благо или во вред, созидать или разрушать.
В конце 19, начале 20 веков были сделаны открытия, которые дали возможность науке и технике шагнуть далеко вперёд, положили начало развитию атомной и ядерной физики. Цель нашего урока оценить значение этих открытий для ядерной энергетики и рассмотреть возможность использования законов ядерной физики в теории и на практике. (слайд №1)
Чтобы повторить основные закономерности ядерной физики, троим из вас предлагаю решить задачи, решение оформить на кодопленке и представить классу. (Работа по карточкам на местах на 5-7 минут) А остальные, отвечая на вопросы, могут воспользоваться таблицами. (Приложение 1)
1 задача (уровень А): Изотоп фосфора широко используется в биологии и медицине. Так, с помощью метода меченных атомов исследуют процессы усвоения растениями питательных веществ из удобрений и обмена веществ в организме, проводя наблюдения за ростом корневой системы растений. В медицине проводят терапию болезней крови. Период полураспада фосфора 14 суток, этот изотоп β-радиоактивен. Определите ядро, образующееся при этой реакции и, оцените энергию связи ядер элементов, участвующих в реакции.
2 задача (уровень В): Как давно был построен древний корабль, если при исследовании его деревянных остатков установлено, что активность радиоактивного изотопа углерода 614С в них к настоящему времени уменьшилась на 29,3%. Период полураспада углерода 614С равен 5700 лет.
3 задача (уровень С): Какая масса урана 92235U расходуется за сутки на атомной электростанции мощностью 5000кВт с КПД = 17%, если при каждом акте деления выделяется энергия 200МэВ? Сравните полученный результат с суточным расходом каменного угля тепловой электростанцией той же мощности при КПД = 75%. (qуг.= 2,93 *107Дж/кг).
Учитель: Конец 19 – начало 20 веков ученые-физики называют временем чудес потому что им удалось проникнуть в тайны строения материи.
– Какое открытие положило начало изучению строения атома?
– Кому принадлежит это открытие? (слайд №2)
– Были ли последователи у Беккереля в изучении радиоактивности? (слайды №3;4)
– Каковы типы радиоактивных излучений?
Учитель: Таким образом, Резерфорд доказал, что в результате радиоактивного распада происходит превращение атомов одного химического элемента в атомы другого химического элемента, сопровождаемое испусканием различных частиц. Существует ли какая либо закономерность изменения числа радиоактивных ядер с течением времени?
Учитель: Радиоактивность – доказательство сложного строения атомов. Планетарный атом – детище безумного эксперимента и могучей интуиции.
– Как устроен атом? (слайд №5)
– Какая часть атома – ядро или электронная оболочка – претерпевают изменения при радиоактивном распаде?
– Какой при этом напрашивается вывод?
– Какие силы удерживают нуклоны в ядре?
– Нуклоны в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Для того чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить большую работу, т.е. сообщить ядру значительную энергию. Как называется эта энергия? Как можно ее рассчитать? (слайд №6)
Учитель: Открытие сложности структуры атомных ядер и энергии связи нуклонов в ядре поставило ряд новых вопросов: может ли атомное ядро изменить свое состояние при взаимодействии с другими атомными ядрами и частицами или оно существует только в одном состоянии с одним запасом энергии? Ведь радиоактивный распад означает не разрушение ядра, а ядерную реакцию. Что называется ядерной реакцией?
– Какие законы выполняются при осуществлении ядерных реакций? Справедливость этих законов докажите на примере следующих реакций.
30 Zn 65 + 0 n 1 → ? + 2 He4 19 K 40 → 20 Ca 40 + ? + 0 νe 0
7 N 14 + 1 H 1 → ? + 0 n 1 90 Th 230 → 88 Ra 226 + ?)
13 Al 27 + γ → 11 Na 23 + ?
(Проверяются свойства и закономерности ядерных реакций, которые были рассмотрены учащимися, работающими по карточкам).
3. Объяснение нового материала
Учитель: На примере решения последней задачи, мы видели, что ядерные реакции сопровождаются освобождением огромной энергии.
– Возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии. Какие?
– Как вы думаете, для ядерной энергетики, какой из способов энергетически выгоден? Почему?
Учитель: 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. Сейчас ведутся работы в Европе по запуску установки ТОКАМАК (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками). Ученые всего мира надеются на успех.
Но основной интерес для ядерной энергетики представляет деление тяжелых ядер. Каковы особенности этой реакции?
Учитель: 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. Это явилось началом эпохи «мирного» атома. (слайд №7)
– Как устроен ядерный реактор, каков принцип его работы? (Ученик озвучивает заранее подготовленное сообщение). (слайд №8)
Учитель: В настоящее время в мире существует пять типов ядерных реакторов. Это реактор ВВЭР (Водо-Водяной Энергетический реактор), РБМК (Реактор Большой Мощности Канальный), реактор на тяжелой воде, реактор с шаровой засыпкой и газовым контуром, реактор на быстрых нейтронах. У каждого типа реактора есть особенности конструкции, отличающие его от других, хотя, безусловно, отдельные элементы конструкции могут заимствоваться из других типов. ВВЭР строились в основном на территории бывшего СССР и в Восточной Европе, реакторов типа РБМК много в России, странах Западной Европы и Юго-Восточной Азии, реакторы на тяжелой воде в основном строились в Америке. (слайд №9)
Параметры этих реакторов лучше всего представить в виде таблицы. (Подготовленные таблицы разложены на партах учащихся). (Приложение 2)
Реакторы ВВЭР являются самым распространенным типом реакторов в России.
Характеризуя типы реакторов, стоит сказать следующее: реакторы ВВЭР достаточно безопасны в эксплуатации, но требуют высокообогащенного урана. Реакторы РБМК безопасны лишь при правильной их эксплуатации и хорошо разработанных системах защиты, но зато способны использовать мало обогащенное топливо или даже отработанное топливо ВВЭР-ов. Реакторы на тяжелой воде всем хороши, но уж больно дорого добывать тяжелую воду. Технология производства реакторов с шаровой засыпкой еще недостаточно хорошо разработана, хотя этот тип реакторов стоило бы признать наиболее приемлемым для широкого применения, в частности, из-за отсутствия катастрофических последствий при аварии с разгоном реактора. За реакторами на быстрых нейтронах – будущее производства топлива для ядерной энергетики, эти реакторы наиболее эффективно используют ядерное топливо, но их конструкция очень сложна и пока еще малонадежна. В России имеется только один реактор такого типа (на Белоярской АЭС). Считается, что такие реакторы имеют большое будущее.
Учитель: В России имеется 10 атомных электростанций (АЭС), и практически все они расположены в густонаселенной европейской части страны. В 30-километровой зоне этих АЭС проживает более 4 млн. человек. (слайд 10)
Наиболее мощные АЭС в мире в основном сосредоточены в Европе. (слайд 11; Приложение 3)
Вместе с тем, развивая ядерную энергетику в интересах экономики, нельзя забывать о безопасности и здоровье людей, так как ошибки могут привести к катастрофическим последствиям.
Всего с момента начала эксплуатации атомных станций в 14 странах мира произошло более 150 инцидентов и аварий различной степени сложности. (слайд №12)
А в 1986 г произошла трагедия, последствия которой до сих пор, наводят ужас на мировую общественность – это катастрофа на Чернобыльской АЭС (СССР) (Видеофрагмент – 40 сек.)
(слайды №13; 14) В результате взрыва четвертого блока ЧАЭС в окружающую среду попало около 7,4 тонн радиоактивного вещества. В первые недели основную опасность для населения представляло внешнее Гамма-излучение и наличие изотопа йода-131 в атмосфере. Действительно, данные изотопного анализа первых проб воздуха, воды и почвы, отобранных в первые дни после аварии, показали, что кроме этого обнаружены изотопы бария-140, лантана-140, цезия-137, церия-134, рутения-103, циркония-95, теллура-132, церия-141, нептуния-239; а в ближайшей зоне, например, в зоне отселения – изотопы стронция-90, плутония-239 и плутония-240. Союзный Госкоматом еще в 1987 году сравнил катастрофу на Припяти со взрывом 300 хиросимских бомб. Иностранные специалисты назвали другую цифру – 800 бомб. Не стоит спорить, кто из них прав.
Считается, что при радиационном уровне свыше 15 Ки на квадратный километр жизнь человека невозможна. Территория, прилегающая к АЭС заражена от 15 до 1200 Ки/км2. Причем эта совсем не та радиация, которая поразила жителей гг. Хиросимы и Нагасаки. В богатых пойменных лугах, лесных массивах, заброшенных деревнях зловеще притаились долгоживущие радионуклиды – стронций, цезий, плутоний. Жизнь сюда не вернется ни через 100, ни через 500, а на отдельных участках – ни через 1000 лет.
– Выясним, насколько была и остается опасной радиация для человека? Обратите внимание на схему. Где накапливаются радионуклеиды? (слайды 15; 16 ); (Приложение 4)
– Следствие радиационного облучения – лучевая болезнь. Обратите внимание на таблицы, лежащие на ваших партах, а также на таблицу, представленную на экране. В них представлены допустимые и опасные дозы облучения.
В результате аварии на ЧАЭС высокую дозу облучения получили 20 млн. человек.
Таким образом, авария реактора Чернобыльской АЭС ярко высветила значимость проблемы не только в практическом, но и в методологическом отношении.
4. Закрепление
Учитель: В связи с этим надо отметить неизбежность существования факторов опасности ядерных реакторов, и они достаточно многочисленны. Попробуйте перечислить некоторые из них: (слайд № 17)
- Возможность аварии с разгоном реактора. При этом вследствие сильнейшего тепловыделения может произойти расплавление активной зоны реактора и попадание радиоактивных веществ в окружающую среду. Если в реакторе имеется вода, то в случае такой аварии она будет разлагаться на водород и кислород, что приведет к взрыву гремучего газа в реакторе и достаточно серьезному разрушению не только реактора, но и всего энергоблока с радиоактивным заражением местности. Аварии с разгоном реактора можно предотвратить, применив специальные технологии конструкции реакторов, систем защиты, подготовки персонала.
- Радиоактивные выбросы в окружающую среду. Их количество и характер зависит от конструкции реактора и качества его сборки и эксплуатации. У РБМК они наибольшие, у реактора с шаровой засыпкой наименьшие. Очистные сооружения могут уменьшить их. Впрочем, у атомной станции, работающей в нормальном режиме, эти выбросы меньше, чем, скажем, у угольной станции, так как в угле тоже содержатся радиоактивные вещества, и при его сгорании они выходят в атмосферу.
- Необходимость захоронения отработавшего реактора. На сегодняшний день эта проблема не решена, хотя есть много разработок в этой области.
- Радиоактивное облучение персонала. Его можно предотвратить или уменьшить применением соответствующих мер радиационной безопасности в процессе эксплуатации атомной станции.
- Ядерный взрыв ни в одном реакторе произойти в принципе не может.
Но, безусловно, есть и плюсы в применении ядерных реакторов. Каковы положительные аспекты применения ядерных реакторов?
- Широкое и довольно перспективное развитие атомной энергетики и транспорта. (слайды №18; 19; 20)
- АЭС практически не загрязняют среду, а энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и другие) существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического, топлива (нефть, уголь, природный газ и другие). Это открывает широкие перспективы для удовлетворения быстро растущих потребностей в топливе.
- АЭС не выбрасывают миллионы тонн отходов в виде золы, которые окружают современные электростанции, работающие на угле; они не дают выбросов оксидов серы и азота, угарного и углекислого газов, присущих ТЭС.
- АЭС строятся с многократными дублирующими системами защиты.
(слайд № 21) – Как можно было бы сделать атомные станции более надёжными и безопасными?
Но сколько бы ни улучшались системы защиты станций, трудно теперь убедить людей, что аварии невозможны, раз уж они случались.
Возможность аварии на АЭС — самая большая опасность атомной энергетики.
– Как вы думаете, откажется Человечество от использования ядерной энергии? Почему?
Но существует ещё одна опасность атомной энергетики — радиоактивные отходы. Один из распространённых сейчас способов захоронения радиоактивных отходов — затопление контейнеров с ними в морях и океанах.
Некоторыми учёными был предложен и другой возможный вариант избавления от радиоактивных отходов: различными путями выбрасывать их в ближний или дальний космос — в околоземное или даже околосолнечное пространство. Но загрязнить ещё и космос на многие века пока не решается ни одна страна.
Несколько отечественных физико-технических институтов разработали проект их захоронения, в основу которого положены подземные ядерные взрывы.
– Попробуйте и вы предложить способ захоронения ядерных отходов. Обоснуйте его эффективность и надежность. Это будет вашим домашним заданием.
5. Подведение итогов
Подводя итог сегодняшнему уроку, хочется отметить, что техника и технология нынешнего времени, основанные на новейших достижениях науки, требуют особого, бдительного отношения к себе. Прежде чем их создавать и использовать, нужно просчитать и предвидеть последствия, причем во множестве аспектов (а не в одном!).
(слайд №22) С техникой XX и начала XXI века нужно быть на Вы. Проблемы нравственности и ответственности перед Людьми, Миром и Жизнью за научно-технические творения и связанные с ними решения приобретают для деятелей науки и техники, руководителей всех рангов этих отраслей и государства первостепенное значение.
Ныне, каждый должен отчетливо понимать опасность, которая исходит от техники при бездумном, неграмотном или безнравственном отношении с нею.
Учитель: Закончить урок мне бы хотелось следующими словами: (слайд №23)
Целый мир, охватив от земли до небес,
Всполошив не одно поколение,
По планете шагает научный прогресс.
Что стоит за подобным явлением?Человек вышел в космос и был на Луне.
У природы все меньше секретов.
Но любое открытье – подспорье войне:
Тот же атом и те же ракеты…Как использовать знанье – забота людей.
Не наука – ученый в ответе.
Давший людям огонь – прав ли был Прометей,
Чем прогресс обернется планете?
6. Домашнее задание: §§ 88, 89. Предложить способ захоронения ядерных отходов.