Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
2
ПЛАН
Вступ ………………………………………………………………………………3
|
РОЗДІЛ І. КОМП’ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ В ОСВІТІ |
1.1 Використання ІТ в освіті……………………………………………………..6
1.2 Зв'язок між фізикою і інформатикою…………………………………….…7
1.3 Методологічна і дидактична складові віртуального експерименту……....8
РОЗДІЛ ІI. ВИКОРИСТАННЯ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ПРИ ВИВЧЕННІ ТЕМИ «КВАНТОВА ФІЗИКА »
2.1 Формування квантових уявлень…………………………………………..10
2.1.1 Фотоефект. Рівняння Ейнштейна……………………………………..10
2.1.2 Будова атома …………………………………………………………….12
2.1.2.1 Дослід Резерфорда (теорія будови атома та моделі атома)……….12
2.1.2.2 Постулати Бора……………………………………………..………..16
2.1.2.3 Дослід Франка і Герца……………………………………………….18
2.1.2.4 Спін електрона. Дослід Штерна і Герлаха………………………....19
2.2 Вивчення теми «Фізика атомного ядра»……………………………...…..21
2.2.1 Моделі атомного ядра………………………………………………....21
2.2.2 Радіоактивність. Закони радіоактивного розпаду……………...……25
2.2.3 Ядерні реакції…………………………………………………………..30
2.3 Ядерні реакції у житті людини……………………………………………32
2.3.1 Ядерний реактор………………………………………………….……32
2.3.2 Атомна бомба…………………………………………………………..35
РОЗДІЛ ІV. ЕЛЕКТИВНИЙ КУРС НА ТЕМУ « КОМП’ЮТЕРНА ПІДТРИМКА ВИВЧЕННЯ ТЕМИ «БУДОВА АТОМА»
4.1 «Комп’ютерна підтримка вивчення теми "Будова атома"»………...…38
4.2 Результати проведення атестації після проходження елективного курсу «Комп’ютерна підтримка вивчення теми "Будова атома"»……………….…46
4.3 Правила техніки безпеки при роботі за комп’ютером………………...50
Висновок
Список використаної літератури
|
ВСТУП Впровадження нових технологій у навчальний процес сприяє всебічному розвитку й формуванню світогляду учнів,студентів. Сучасний розвиток інформаційних технологій дає можливість застосовувати їх на уроках фізики як в основній школі так і в університеті. Фізика – наука експериментальна, для її вивчення необхідно використовувати досліди. Добре відомо, що курс фізики включає розділи, вивчення і розуміння яких вимагає розвиненого образного мислення, уміння аналізувати, порівнювати. Насамперед мова йде про такі розділи, як «Ядерна фізика» і «Квантова фізика» і ін. Багато явищ в умовах фізичного кабінету не можуть бути продемонстровані,виникають значні труднощі при постановці та виконанні демонстраційних дослідів з розділів, які пов’язані з неможливістю спостерігати без спеціальних приладів і необхідних умов для їх здійснення. В результаті учні,студенти зазнають труднощів при вивченні цих тем, оскільки не взмозі їх уявити. Частковим рішенням цієї проблеми є моделювання дослідів на комп’ютері, так звана комп’ютерна підтримка вивчення складних тем та дослідів квантової фізики. Комп'ютер може не лише створити модель таких явищ, а й дозволити змінювати умови протікання процесу, "прокрутити" із оптимальною для засвоєння швидкістю. Найдоцільнішим є використання комп'ютерної моделі для демонстрацій під час пояснення нового матеріалу, розв'язування практичних задач. Найбільш фундаментальними дослідами квантової фізики є досліди Резерфорда, Франка і Герца, Штерна і Герлаха,ефект Комптона, фотоефект.Дуже важливими у ядерній фізиці є дослідження радіоактивності,ядерних реакцій та ядерного реактора. Краще і простіше, а також наочніше показати, як електрон за моделлю Бора перескакує в атомі з орбіти на орбіту, що супроводжується поглинанням чи випромінюванням кванта, ніж пояснювати це за допомогою дошки і крейди. А якщо взяти до уваги те, що ця модель дає можливість одночасно показати переходи електрона й на інші орбіти в динамічному режимі роботи електронних рівнів і вигляд спектральних ліній, тоді стає зрозумілим, що подану демонстраційну модель неможливо забезпечити іншими засобами., або дослід Резерфрда по бомбардуванню альфа-частинками тонких металевих пластинок, показує як альфа частинки розсіюються в речовині,і в результаті Е. Резерфорд припустив, що атом має складну будову, схожу на Сонячну систему: всередині його міститься позитивно заряджене ядро, навколо якого обертаються електрони. На сайті нашого університету є розроблений навчально-методичний посібник «Квантова фізика» автор Соколенко О.І.. В якому розглянуті всі розділи квантової фізики:квантові властивості випромінювання,хвильові властивості мікрочастинок, будова атомів, фізика атомного ядра,елементарні частинки. У кожному з цих розділів коротко розглянуті основні питання теорії, подані основні формули з розділу і методичні вказівки щодо розв’язування задач,а також наведені приклади типових задач. Практика показала що цей посібник має широкий спектр використання як студентами так і магістрантами нашого ВУЗу,для більш ефективного використання навчального посібника була необхідність доповнити його комп’ютерними демонстраційними матеріалами анімаціями,візуалізаціями та відео фрагменти явищ,що і будо виконано в даній роботі. Всі демонстраційні матеріали було апробовано при викладанні квантової фізики в «ДНЗ Одеський професійний ліцей морського транспорту» і в «Південноукраїнському національному педагогічному університеті імені К.Д. Ушинського» на 4 курсах спеціальності «фізика менеджмент»,а також на асистентській практиці з фізики магістрантами. Як показали результати контролю якість і упішність знань підвищилась на 3%-6%. Я вважаю що тема моєї магістерської роботи є актуальною. Метою даної магістерської роботи є забезпечення вивчення квантової фізики використовуючи засоби комп’ютерного моделювання, обґрунтування необхідності використання комп’ютерних моделей при вивченні фізики. Об'єкт дослідження: Забезпечення навчального процесу з тем квантової фізики з використанням засобів комп’ютерного моделювання. Предмет дослідження: Форми, методи та засоби реалізації вивчення квантовоъ фізики за допомогою комп’ютерного моделювання. Гіпотеза дослідження використання комп’ютерного моделювання при викладанні квантової фізики повинно підвищити ефективність і якість засвоєння знань формування відповідних умінь та навичок. Відповідно до предмету і гіпотези дослідження були визначенні його конкретні завдання: 1. Провести аналіз літературних джерел, наукових праць, статей з питання використання комп’ютерних моделей при викладанні фізики. 2. Розглянути психолого-педагогічні аспекти ефективного використання комп’ютерного моделювання при викладанні фізики. 3. Розробка методичних рекомендацій, щодо використання комп’ютерного моделювання. РОЗДІЛ І. КОМП’ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ В ОСВІТІ 1.1 Використання ІТ в освіті Інформатизація освіти вимагає підвищення якості навчального процесу, здійснення відповідних досліджень і розробок сучасних методів навчання, заснованих на використанні інформаційних технологій, до рівня вимог постіндустріального суспільства. Це передбачає залучення учнів і студентів до інформаційної культури, побудова в їхній свідомості наукової картини світу, оволодіння сучасними методами обробки інформації. В інформатиці під інформаційною (комп'ютерною) технологією розуміють технологію переробки інформації на ЕОМ, в результаті яких виходить новий інформаційний продукт (текстовий, графічний, звуковий або відео-файл). Система віртуальної реальності занурює студента в уявну тривимірну модель реального світу. Вона забезпечує "безпосередню" взаємодію з різними об'єктами цього світу і маніпулювання ними. Це якісно змінює механізм сприйняття і осмислення одержуваної інформації, сприяє формуванню чуттєво-наочного образу досліджуваного явища. Мультимедійні засоби навчання повинні відповідати дидактичним вимогам науковості, доступності, проблемності, наочності, свідомості, систематичності і послідовності навчання. 1.2 Зв'язок між фізикою і інформатикою Як вже зазначалося, викладання фізики, в першу чергу атомної і ядерної, пов'язано з вивченням обчислювальної техніки та сучасних технологій збирання, зберігання, обробки і передачі інформації. Фізика – наука експериментальна. Сучасні інформаційні технології дозволяють створювати моделі різних фізичних об'єктів, явищ і процесів і відображати їх на екрані ПК з можливістю варіювати параметри. За допомогою інтерфейсних блоків і датчиків фізичних величин можна виконувати і реальний експеримент, а також дистанційно керувати реальними об'єктами, здійснювати автоматизований контроль, обробляти результати досліджень і т.д. У зв'язку з цим під навчальним фізичним експериментом зараз розуміється не тільки традиційний натурний (демонстраційний і лабораторний) експеримент, але і чисто комп'ютерний, віртуальний. Особливо ефективний останній у разі неможливості проведення натурного експерименту через відсутність обладнання, небезпеки для здоров'я, тривалості виконання, складності математичного обрахунку результатів і т.д. Крім того, комп'ютерний експеримент, як уже було сказано, надає широкі можливості варіювання параметрів процесу, що просто неможливо зробити в натурі. Атомна і ядерна фізика належать до таких розділів фізики вивчення яких, повинно супроводжуватися експериментальними дослідженнями. Віртуальні експерименти значно прискорюють процес освоєння досліджуваного матеріалу. Ніяка кількість вирішених завдань з фізики не може замінити досвіду, придбаного при проведенні експериментальних досліджень. Комп'ютер можна розглядати як універсальний лабораторний стенд.
1.3 Методологічна і дидактична складові віртуального експерименту Унікальні особливості віртуально інформаційного середовища (мультимедіа, інтелектуальність, моделінг, інтерактив, комунікативність, продуктивність) визначають безперечну ефективність її застосування в будь-якій сфері пізнавальної діяльності,в тому числі і в проведенні лабораторних фізичних експериментів. Зазначимо переваги і недоліки віртуального фізичного експерименту. Такий експеримент дозволяє: Вивчати складні фізичні явища на рівні, доступному розумінню, виключаючи звернення до їх нерідко громіздкого математичного опису; «Досліджувати» явище навіть у тих випадках, коли проведення реального експерименту ускладнене або недоцільно (наприклад, робота ядерного реактора, рух космічних об'єктів, вивчення поведінки тіл при великих тисках,дослідження мікроскопічних об'єктів, і т.д.); Зупиняти і відновлювати експеримент з метою аналізу проміжних результатів і можливої зміни його ходу; Вивчати явище в динаміці(тобто спостерігати його розвиток в просторі і часу); Здійснити операцію, неможливу в натурному експерименті – змінювати просторово-часові масштаби протікання явища; Задавати необхідні умови проведення експерименту і параметри досліджуваної системи об'єктів, не побоюючись за її стан, а також безпеку і збереження компонентів експериментальної установки; Супроводжувати модельний експеримент візуальної інтерпретацією Досліджувати явище в «чистому» вигляді, точно відтворюючи необхідні умови його протікання; Акцентувати, завдяки ефектам мультимедіа, увагу учнів на головному в досліджуваному явищі і сприяти тим самим більш глибокому розумінню його сутності. При використанні інтерактиву як функції нового середовища навчання до раніше вказаним перевагам віртуального експерименту додаються нові: Забезпечення діяльнісного підходу до навчання, орієнтованого на Розвиток пізнавальної самостійності студентів, визначальною успіх у реалізації їх навчальної активності; Створення умов для творчої діяльності студентів. Слід зазначити, що введення даного типу фізичного експерименту в курсі фізики має і недоліки: практичне здійснення віртуальних експериментів буває утруднено у зв'язку з недостатнім рівнем комп'ютерного забезпечення ; не отримується навички практичної роботи з реальним дослідницьким обладнанням; низька в порівнянні з натурним експериментом ступінь наочності. |
РОЗДІЛ ІI. ВИКОРИСТАННЯ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ПРИ ВИВЧЕННІ ТЕМИ «КВАНТОВА ФІЗИКА»
2.1 Формування квантових уявлень
2.1.1 Фотоефект. Рівняння Ейнштейна
Фотоефект — явище «вибивання» світлом електронів із металів. Це повне або часткове вивільнення електронів від зв'язків з ядрами атомів речовини внаслідок дії на неї електромагнітного проміння (світла, рентгенівського чи гамма-променів).
Рис.1. Вибивання фотоелектронів із металевої пластини.
Вперше прямий вплив світла на електрику виявив німецький фізик Генріх Герц під час дослідів з електроіскровими вібраторами. Герц встановив, що заряджений провідник, освітлений ультрафіолетовим промінням, швидко втрачає свій заряд, а електрична іскра виникає в іскровому проміжку при меншій різниці потенціалів. Помічене явище було описане Герцом в його статтях 1887–1888 років, але залишилося без пояснення, оскільки фізичну природу його він не знав. Не зуміли правильно пояснити дію світла на заряди і німецький фізик Гальвакс, італійський фізик Рігі. Англійський фізик Лодж, який, демонструючи в 1894 році досліди Герца в своїй знаменитій лекції «Творіння Герца», лише припустив хімічну природу явища. І це недивно, осклільки електрон буде відкритий Джозефом Джоном Томсоном лише в 1897 році, а без згадки про електрон пояснити фотоефект неможливо.
Проте 26 лютого 1888 року російський учений Олександр Григорович Столєтов (1839–1896) здійснив дослід, що наочно продемонстрував зовнішній фотоефект і показав істинну природу та характер впливу світла на електрику. Перші досліди з світлом Столєтов проводив із звичним електроскопом. Освітлюючи електричною дугою Петрова цинкову пластину, заряджену негативно і сполучену з електроскопом, він виявив, що заряд швидко зникав, тоді як позитивний заряд не знищувався.
Припустімо, що при опроміненні світлом з поверхні вилітають електрони. Тоді при освітлені негативної цинкової пластинки електрони вилітають і ще додатково відштовхуються електричним полем пластинки. Тому негативний заряд швидко зникає. Інша річ із позитивним зарядом. Якщо електрон вилетів, то його з одного боку притягує електричне поле пластинки, з другого його виліт не зменшує, а збільшує позитивний заряд пластинки.
Столєтов назвав відкритий ефект активно-електричним розрядом. Електронна природа фотоефекту була показана в 1899 році Дж. Дж. Томсоном і в 1900 році Ленардом.
Для постановки точних дослідів Столєтов створив експериментальний прилад, що став прообразом сучасних фотоелементів. Прилад складався з двох плоскопаралельних дисків, один з яких був сітчастий і пропускав світлове випромінювання.
До дисків підводилася напруга від 0 до 250 В, причому до суцільного диска підключався негативний полюс батареї. При освітленні суцільного диска ультрафіолетовим світлом включений у коло чутливий гальванометр відзначав протікання струму, незважаючи на наявність повітря між дисками. Продовжуючи досліди, Столєтов встановив залежність фотоструму від величини напруги батареї та інтенсивності світлового пучка. Подальші роботи привели до створення першого у світі фотоелемента, що був скляним балоном з кварцовим вікном для пропускання ультрафіолетового проміння. Всередину балона поміщалися електроди, один з яких був чутливий до світла, газ відкачувався.
Дослідження фотоефекту дозволили сформулювати три його характерні закони.
1. Кількість фотоелектронів прямо пропорційна інтенсивності світла.
2. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності світла, кінетична енергія фотоелектронів прямо пропорційна частоті світла.
3.Для кожної речовини існують порогові значення частоти та довжини хвилі світла, які відповідають межі існування фотоефекту; світло з меншою частотою та більшою довжиною хвилі фотоефекту не викликає.
Оскільки це порогове значення завжди ближче до червоного світла, то йому дали назву червона межа фотоефекту.
Зрозуміло, що червона межа фотоефекту існує завдяки притягуванню електронів до ядер. Разом з тим, останній закон не можна пояснити на основі уявлення про світло як неперервні плавні коливання у вакуумі-ефірі: такі хвилі мали довго розгойдувати електрони до того моменту, коли швидкість останніх стала б достатньою для відриву від металу.
Повне пояснення фотоефекту належить Альберту Ейнштейну, який використав ідею німецького фізика Макса Планка про те, що світло випромінюється і поширюється окремими порціями — квантами, які отримали назву фотонів. Для обчислення енергії кванта світла Макс Планк запропонував просту формулу:
де -енергія фотона, h — стала Планка, — лінійна частота.
Ейнштейн висловив припущення, що фотоефект відбувається внаслідок поглинання фотоном одного кванта, а інші кванти не можуть брати участь у цьому процесі. Тоді енергія одного кванта світла (фотона) витрачається на подолання бар'єру (виконання роботи виходу, відриву від матеріалу) і надання кінетичної енергії фотоелектрону.
Це дозволило йому записати закон збереження енергії для процесу — наведене вище рівняння Ейнштейна для фотоефекту.
Щоб вивільнити електрон із металу йому необхідно передати енергію, більшу за роботу виходу.
Теоретичне пояснення явища дав Альберт Ейнштейн, за що отримав Нобелівську премію. Ейнштейн використав гіпотезу Макса Планка про те, що світло випромінюється порціями (квантами) із енергією, пропорційною частоті.
Припустивши, що світло і поглинається такими ж порціями, він зміг пояснити залежність швидкості вибитих електронів від довжини хвилі опромінення.
,
де ν — частота світла, h — стала Планка, m — маса електрона, v — його швидкість, A — робота виходу.
2.1.2 Будова атома
2.1.2.1 Дослід Резерфорда (теорія будови атома та моделі атома)
На початку XX ст. було відомо, що атоми являють собою складні системи, до яких входять електрони. Першу модель будови атома запропонував Дж. Томсон у 1901 р. Модель атома Томсона називавють «пудинговою» — за аналогією з традиційним британський пирогом з родзинками. Проте така модель атома мала свої обмеження і не відповідала дослідним фактам, отриманим на той час фізиками.
Кельвін і X. Нагаока у 1903 р. висунули ідею про планетарну модель атома, вважаючи, що позитивний заряд розміщений в центрі атома, а навколо нього знаходяться електрони. Питання про те, яка модель відповідає дійсності, могло бути розв'язане тільки експериментально. Відповідь на нього дали досліди Е. Резерфорда по розсіянню а-частинок атомами.
Альфа-частинки — це позитивно заряджені частинки, заряд яких дорівнює двом зарядам електрона, а маса приблизно в чотири рази більша за масу атома Гідрогену, тобто це ядра атома Гелію.
У 1911 р. англійський фізик Е. Резерфорд, досліджуючи разом зі своїми співробітниками бомбардування альфа-частинками тонких металевих пластинок, встановив, що вони певним чином розсіюються в речовині
Рис.2.Схема досліду Резерфорда
Вузький пучок швидких альфа-частинок 1,спрямовувався на тонку золоту чи платинову пластинку 2, за якою розміщувався екран 3, здатний фіксувати їх попадання на екран спалахами. За допомогою спеціального оптичного пристрою 4 можна була спостерігати і вимірювати кут відхилення φ альфачастинок.
Дослід Е. Резерфорда започаткував основи сучасних уявлень про будову атома більшість із них рухалася майже прямолінійно (кут відхилення φ становив 1—2°). Проте незначна їх частка відхилялася на більші кути; були зафіксовані навіть такі альфачастинки, які після розсіювання змінювали свій напрямок руху на протилежний (φ > 90°).
Щоб пояснити одержані результати, Е. Резерфорд припустив, що атом має складну будову, схожу на Сонячну систему: всередині його міститься позитивно заряджене ядро, навколо якого обертаються електрони.
Його розрахунки довели, що в ядрі зосереджена практично вся маса атома, але його розміри набагато менші за сам атом. Вимірювання показали, що лінійні розміри атома становлять приблизно 10-10 м, а радіус його ядра дорівнює близько 10-15 м. Зрозуміло, що схематичні зображення атомів тут і в інших книгах подаються без дотримання масштабів.
Отже, на підставі одержаних експериментальних даних Е. Резерфорд запропонував ядерну модель атома, яка узгоджувалася з результатами дослідів і пояснювала багато інших явищ, пов'язаних з будовою атома.
Рис.3. Моделі атома
Справді, швидкі альфа-частинки легко долають простір електронних оболонок атомів, не зазнаючи з їхнього боку значного впливу, і тому майже не відхиляються від прямолінійної траєкторії руху. Проте коли вони пролітають досить близько від позитивно зарядженого ядра атома, кулонівська взаємодія між ядром і частинками змушує їх викривляти траєкторію і відхилятися на певний кут.
Рис.4. Траєкторія α-частинки.
Е. Резерфорд на основі законів електромагнітної взаємодії вивів формулу, яка дає змогу обчислити кількість α -частинок, розсіяних на кут φ, залежно від їх енергії і хімічної природи досліджуваного матеріалу.
(1.1)
Пізніше ця теоретично виведена формула (1.1) була експериментально підтверджена й остаточно утвердила в фізиці ядерну модель атома.
2.1.2.2 Постулати Бора
Планетарна модель атома Резерфорда, багато пояснила в будові атома, але одразу після її створення виникли труднощі: ядро заряджене позитивно, а електрони - негативно. Між ними існує кулонівська сила притягання. Для того, щоб електрони не впали на ядро, вони мусять рухатись навколо нього з доцентровим прискоренням. З теорії Максвела випливає, що якщо заряд рухається з прискоренням, то при цьому має випромінюватись електромагнітна хвиля, а розрахунки показують, що за час c електрон, рухаючись по спіралі, мусить припинити свій рух.
Дослідні ж дані показували, що за нормальних умов атом не випромінює енергію і існує як завгодно довго.
Щоб подолати цю суперечність, Нільс Бор запропонував у 1913 році свою модель, яка нині має назву "Атомна модель Бора".
Рис 5. Атомна модель Бора.
Борівська модель воднеподібного атома (Z - заряд ядра), де негативно заряджений електрон укладений в атомній оболонці, оточуючої мале, позитивно заряджене атомне ядро. Перехід електрона з орбіти на орбіту супроводжується випромінюванням або поглинанням кванта електромагнітної енергії (hν).
Він стверджував, що можливими є лише певно не дуже велика кількість станів, у яких можуть перебувати електрони. Відповідно, енергія, що вивільнюється чи поглинається, є лише результатом переходу електрона з одного стану в інший.
1. Атомна система може перебувати тільки в особливих стаціонарних, або квантових станах, кожному з яких відповідає певна енергія . У стаціонарному стані атом енергію не випромінює.
2. У стаціонарному стані атома електрон повинен мати дискретні (квантовані) значення моменту імпульсу. Радіуси орбіт електронів задовольняють умову:
,
де - маса електрона, - зведена стала Планка.
3. Перехід атома з одного стаціонарного стану в інший супроводжується випромінюванням чи поглинанням фотонів, енергію яких визначають за формулою:
,
де і - цілі числа (номери стаціонарних станів), якщо фотон з частотою випромінюється, якщо - поглинається.
Поглинаючи світло, атом переходить із стаціонарного стану з меншою енергією в стаціонарний стан з більшою енергією. Усі стаціонарні стани, крім одного, є умовно стаціонарними. Нескінченно довго кожен атом може знаходитись лише в стаціонарному стані з мінімальним запасом енергії. Цей стан атома називається основним, всі інші – збудженими.
2.1.2.3 Дослід Франка та Герца
Для перевірки теорії Бора необхідно довести, що атомам можна надавати тільки певну енергію і що вони після цього випромінюватимуть світло з частотою, яка однозначно зв'язана з поглинутою енергією співвідношенням ν = ΔE/h. Це здійснили Дж. Франк і Г. Герц в своїх класичних дослідах.
Дослід Франка — Герца — експеримент, поставлений у 1913–1914 роках з непружного розсіяння електронів на атомах. Експеримент підтвердив припущення моделі будови атома Нільса Бора.
У заповнену розрідженим газом трубку були впаяні три електроди: катод, сітка й анод. До катода К і сітки C1 електровакуумної трубки, наповненої парами Hg (ртуті), прикладається різниця потенціалів V, що прискорює електрони, і знімається вольт-амперна характеристика. До сітки C2 і анода А прикладається уповільнююча різниця потенціалів. Прискорені в області I електрони зазнають зіткнення з атомами Hg в області II. Якщо енергія електронів після зіткнення достатня для подолання уповільнюючого потенціалу в області III, то вони потраплять на анод. Отже, показання гальванометра Г залежать від втрати електронами енергії при ударі.
Рис 6.Схема електровакуумної трубки, використаної в експерименті
У досліді спостерігався монотонне зростання струму I при збільшенні прискорюючої напруги аж до 4,9 В, тобто електрони з енергією Е <4,9 еВ відчували пружні зіткнення з атомами Hg, і внутрішня енергія атомів не змінювалася. При значенні U = 4,9 В (і кратних йому значеннях 9,8 В, 14,7 В) з'являлися різкі спади струму. Це певним чином вказувало на те, що при цих значеннях U зіткнення електронів з атомами носять непружний характер, тобто енергія електронів достатня для збудження атомів Hg. При кратних 4,9 еВ значеннях енергії електрони можуть відчувати непружні зіткнення кілька разів.
2.1.2.4 Спін електрона. Дослід Штерна і Герлаха
Визначення дослідним шляхом рівнів енергії атомів вказувало на деяку розбіжність теорії і досліду. Точні вимірювання виявили наявність тонкої структури рівнів. Всі рівні, крім основного, розщеплюються на ряд близьких підрівнів. Спочатку намагались пояснити тонку структуру спектральних ліній врахуванням релятивістських ефектів при русі електрона в атомі. Релятивістська теорія пояснювала сам факт існування тонкої структури, але,
незважаючи на це, виявилось, що енергетичних рівнів значно більше, ніж
передбачалось теоретично.
Пояснити цю розбіжність теорії з дослідом вдалось на основі гіпотези, висунутої Дж. Уленбеком і С. Гаудсмітом у 1925 р. про те, що електрон має власний момент імпульсу, який називають спіном. Наявність спіна в мікрочастинках означає, що деякою мірою вона подібна до маленької дзиги. Однак ця аналогія чисто формальна, оскільки квантові закони істотно змінюють властивості моменту імпульсу. Згідно з квантовою механікою власний момент може мати точкова частинка. Важлива і нетривіальна властивість спіна частинки полягає в тому, що тільки він може задавати виділену орієнтацію в частинці. Наявність власного механічного моменту в електрично заряджених частинках зумовлює наявність в них власного магнітного моменту. Власний магнітний момент можуть мати і нейтральні частинки (нейтрон). Наявність в електронах власного магнітного моменту, а отже, і спіна підтверджує дослід О. Штерна і В. Герлаха при спостереженні розщеплення вузького пучка атомів срібла на два пучки під дією неоднорідного магнітного поля. Зазначимо, що серія дослідів,виконаних Штерном і Герлахом, переконливо довела наявність просторового квантування магнітного моменту μ і атомів.
Прогнозування класичної теорії;
Результати експерименту;
Атоми срібла ;
Нагрівник ;
Неоднорідне магнітне поле.
Рис.7. Схема установки, на якій Штерн і Герлах проводили свій експеримент
Дослід полягав у наступному: пучок атомів срібла пропускали через сильно неоднорідне магнітне поле, створюване потужним постійним магнітом. При проходженні атомів через це поле, в силу наявності в них магнітних моментів, на них діяла сила яка залежить від проекції спіну на напрямок магнітного поля, відхиляюча летящі між магнітами атоми від їх початкового напрямку руху. Причому, якщо припустити, що магнітні моменти атомів орієнтовані хаотично (безперервно), то тоді на розташованої далі по напрямку руху атомів платівці повинна була проявитися розмита смуга. Однак замість цього на платівці утворилися дві досить чіткі вузькі смуги, що свідчило на користь того, що магнітні моменти атомів уздовж виділеного напряму брали лише два визначених значення, що підтверджувало припущення квантово-механічної теорії про квантуванн магнітного моменту атомів.
Пізніше з аналогічними результатами були виконані досліди для пучків атомів інших металів, а також пучків протонів і електронів. Ці досліди довели існування магнітного моменту у розглянутих частинок і показали їх квантову природу, явивши собою доказ постулатів квантової теорії.
2.2 Вивчення теми «Фізика атомного ядра»
2.2.1 Моделі атомного ядра
Властивості ядерних сил вивчено досить добре дослідним шляхом, проте для них не знайдено загального закону, який би виражався єдиною формулою, подібно до закону гравітаційної чи електричної взаємодії. Відсутність аналітичного виразу закону для ядерних сил спричинює відсутність єдиної теорії ядра. Глибокий аналіз явищ природної радіоактивності та результатів проведення ядерних реакцій дає всі підстави зробити висновок, що атомне ядро — не проста сукупність нуклонів у класичному розумінні, а квантово-механічна система з чітко вираженими квантовими властивостями. Для описання властивостей ядер створено ряд
фізичних моделей. Жодна з них не передає всіх властивостей досить складної квантово-механічної системи, якою є атомне ядро. Кожна з них має обмежене застосування. Придатність тієї чи іншої моделі може бути оцінена на основі відповідності дослідних даних з висновками, які випливають з даної моделі. Першими моделями ядра були краплинна модель і модель оболонок.
Краплинна модель одна з самих ранніх моделей будови атомного ядра, запропонована Нільсом Бором у 1936 році в рамках теорії складеного ядра, розвинена Яковом Френкелем і, в подальшому, Джон Уілер, на підставі якої Карлом Вайцзеккером була вперше отримана напівемпірична формула для енергії зв'язку ядра атома, названа в його честь формулою Вайцзеккера.
Згідно цієї теорії, атомне ядро можна представити у вигляді сферичної рівномірно зарядженої краплі з особливою ядерної матерії, яка володіє деякими властивостями, наприклад незжимаємістью, насиченням ядерних сил, «випаровуванням» нуклонів (нейтронів і протонів), нагадує рідину. У зв'язку з чим на таке ядро-краплю можна поширити деякі інші властивості краплі рідини, наприклад поверхневий натяг, дроблення краплі на більш дрібні (поділ ядер), злиття дрібних крапель у одну велику (синтез ядер). Враховуючи ці загальні для рідини та ядерної матерії властивості, а також специфічні властивості останньої, що випливають з принципу Паулі та наявності електричного заряду, можна отримати напівімпіричну формулу Вайцзеккера, що дозволяє обчислити енергію зв'язку ядра, а значить і його масу, якщо відомий його нуклонный склад (загальне число нуклонів ~ A (масове число) і кількість протонів ~ Z у ядрі):
,(2.1)
|
де |
{ |
для парно-парних ядер |
|
0 для ядер з непарним |
||
|
для непарно-непарних ядер |
Коефіцієнти α ,β,γ,ε, χ отримують при статистичній обробці експер-х даних.
Ця формула (2.1) дає досить точні значення енергій зв'язку і мас для дуже багатьох ядер, що робить її досить універсальною і дуже цінного для аналізу різних властивостей ядра. В цілому краплинна модель ядра і напівемпірична формула для енергії зв'язку зіграли вирішальну роль у побудові Бором, Френкелем і Уілер теорії поділу ядра.
Рис.8. Краплинна модель атома(поділ ядра урану).
Модель ядерних оболонок. Детальне вивчення ряду властивостей атомних ядер вказує на нерегулярність їх зміни залежно від кількості протонів Z та нейтронів А — Z. Так, енергія перших збуджених станів ядер має періодичну залежність від числа А—Z —N. Спіни, магнітні та квадрупольні моменти ядер також залежать від кількості нуклонів. Як вже зазначалось, найстабіль-
ніші ядра мають число протонів або нейтронів 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Такі ядра найпоширеніші в природі.
Рис.9. Періодична залежність від числа А-Z -N енергії перших збуджених станів.
Модель ядерних оболонок розробили в 1949 р. М. Гепперт- Майбр і в 1950 р. О. Гаксель та X. Ієнсен. Ця модель грунтується на тому, що нуклони в ядрі рухаються незалежно один від одного в деякому ефективному центральному полі, створеному іншими нуклонами, і утворюють протонні та нейтронні оболонки. Як і для всіх частинок із спіном 1/2, для нуклонів справджується принцип Паулі, згідно з яким однакові частинки в системі не можуть мати стани, що визначаються одним і тим самим набором квантових
чисел. Тому в ядрах зі збільшенням числа нуклонів відбувається заповнення оболонок. При цьому нуклони займають стани з найменш можливими значеннями енергії, які дозволені принципом Паулі. Кожній оболонці відповідає група рівнів енергій, різниця між якими незначна. Як і в атомах при забудові електронних оболонок, заповнення нуклоних оболонок приводить до змін властивостей ядер.
Модель ядерних оболонок, що передбачала області в періодичній системі елементів, у яких має спостерігатись ізометрія ядер,пояснює перевантаження важких ядер нейтронами, плюс-бе-та-активності та інших явищ. Нові експериментальні дані про властивості ядер не могли бути пояснені у рамках цієї моделі. Наприклад, не знаходили елементарного пояснення властивості важких ядер, не всі оболонки яких заповнені; питання поділу ядер, енергії зв'язку та ін. Тому виникла потреба створення нової моделі ядра, яка б усувала ці та інші утруднення.
Модель була створена в 1952—1953 pp. О. Бором і Б. Міттельсоном. її називають узагальненою моделлю ядра. Вона являє собою певного роду синтез краплинної моделі і моделі ядерних оболонок.Однак вона не підмінює попередніх двох моделей, а введена для пояснення ряду властивостей ядер, які не можуть бути з'ясованими у рамках двох названих. Відповідно до узагальненої моделі ядра вважається, що нуклони всіх заповнених оболонок утворюють кістяк ядра, який поводить себе подібно до краплини. Навколо такого утворення рухаються нуклони незаповненої оболонки, рух яких розглядається у рамках моделі оболонок. Під впливом рухомих оболонок кістяк здатний деформуватись і набирати форми еліпсоїда. При збудженні ядра можливі коливання його поверхні. Така модель дає пояснення наявності малих і великих квадрупольних моментів ядра. Вона допускає можливість виникнення колективних обертальних і коливальних рухів, дає змогу розрахувати нижні рівні енергії багатьох ядер. Однак і ця модель ядра не змогла пояснити ряд нових експериментальних даних.
2.2.2 Радіоактивність. Закони радіоактивного розпаду
Радіоактивність - явище мимовільного перетворення нестійкого ізотопа хімічного елементу в інший ізотоп (зазвичай іншого елемента) (радіоактивний розпад) шляхом випромінювання гамма-квантів, елементарних частинок або ядерних фрагментів.
Радіоактивність відкрив у 1896 р. Антуан Анрі Беккерель. Сталося це випадково. Вчений працював із солями урану і загорнув свої зразки разом із фотопластинами в непрозорий матеріал. Фотопластини виявилися засвіченими, хоча доступу світла до них не було. Беккерель зробив висновок про невидиме оку випромінювання солей урану. Він дослідив це випромінювання і встановив, що інтенсивність випромінювання визначається тільки кількістю урану в препараті і абсолютно не залежить від того, в які сполуки він входить. Тобто, ця властивість характерна не сполукам, а хімічному елементу урану.
В 1898 р. Ґергард Шмідт та П'єр Кюрі і Марія Склодовська-Кюрі відкрили випромінювання торію. Пізніше Кюрі відкрили полоній та радій. На сьогодні відомо близько 40 природних елементів, яким властива радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду - закон, відкритий Фредеріком Содді і Ернестом Резерфордом експериментальним шляхом і сформульований в 1903 році. Сучасне формулювання закону:
(2.2)
що означає, що число розпадів за інтервал часу t в будь-якій речовині пропорційно числу N наявних у зразку радіоактивних атомів даного типу.
У цьому математичному виразі (2.2) λ - постійна розпаду, яка характеризує ймовірність радіоактивного розпаду за одиницю часу і має розмірність с-1. Знак мінус вказує на спад числа радіоактивних ядер з часом. Закон висловлює незалежність розпаду радіоактивних ядер один від одного і від часу: ймовірність розпаду даного ядра в кожну наступну одиницю часу не залежить від часу, що пройшов з початку експерименту, і від кількості ядер, що залишилися в зразку.
Рис.10. Експонентна крива радіоактивного розпаду: по осі абсцис («осі x») - час, по осі ординат («осі y») - кількість ядер що не розпалися або швидкість розпаду в одиницю часу.
Е. Резерфорд експериментально встановив (1899), що солі урану випускають промені трьох типів, які по-різному відхиляються в магнітному полі:промені першого типу відхиляються так само, як потік позитивно заряджених частинок; їх назвали α-променями; промені другого типу зазвичай відхиляються в магнітному полі так само, як потік негативно заряджених частинок, їх назвали β-променями (існують, проте, позитронні бета-промені, що відхиляються в протилежну сторону);
промені третього типу, які не відхиляються магнітним полем, назвали γ-випромінюванням.
α-розпадом називають мимовільний розпад атомного ядра на ядро-продукт і α-частинку (ядро атома ).α-розпад є властивістю важких ядер з масовим числом А≥200. Всередині таких ядер за рахунок властивості насичення ядерних сил утворюються відособлення α-частинки, що складаються з двох протонів і двох нейтронів. Утворена таким чином α-частинка сильніше відчуває кулонівське відштовхування від інших протонів ядра, ніж окремі протони. Одночасно на α-частинку менше впливає ядерне міжнуклонне притягання за рахунок сильної взаємодії, ніж на решту нуклонів.
Рис.11. α-розпад.
Правило зсуву Содді для α-розпаду:
.
Приклад:
.
В результаті α-розпаду елемент зміщується на 2 клітинки до початку таблиці Менделєєва. Дочірнє ядро, що утворилося в результаті α-розпаду, зазвичай також виявляється радіоактивним і через деякий час теж розпадається. Процес радіоактивного розпаду відбуватиметься доти, поки не з'явиться стабільне, тобто нерадіоактивне ядро, яким частіше за все є ядра свинцю або бісмуту.
Беккерель довів, що β-промені є потоком електронів. β-розпад — прояв слабкої взаємодії. β-розпад — внутрішньонуклонний процес, тобто відбувається перетворення нейтрона в протон із вильотом електрона й антинейтрино з ядра:
(2.3)
Рис.12. β−-розпад атомного ядра
Правило зсуву Содді для β-розпаду:
Приклад:
+ γ.
При β−-розпаді один нейтрон у складі ядра перетворюється в протон, при цьому вивільняється електрон і електронне антинейтрино.
При β+-розпаді один протон у складі ядра перетворюється в нейтрон, вивільняючи позитрон та електронне нейтрино. При електронному захваті, один протон в складі ядра перетворюється в нейтрон, але при цьому ядром поглинається електрон із однієї з внутрішних електронних оболонок атома. Цей процес супроводжується випромінюванням нейтрино, забезпечуючи збереження лептонного заряду.
Бета-розпад забезпечується слабкою взаємодією. В теорії електрослабкої взаємодії бета-розпад відбувається за участі проміжних частинок: W та Z-бозонів.
Рис.13. Діаграма Фейнмана β−-розпаду нейтрона на протон, електрон і електронне антинейтрино за участі проміжного W− бозону.
Гамма промені- це електромагнітні хвилі із довжиною хвилі, меншою за розміри атома. Вони утворюються зазвичай при переході ядра атома із збудженого стану в основний стан. При цьому кількість нейтронів чи протонів у ядрі не змінюється, а отже ядро залишається тим самим елементом. Однак випромінювання гамма-променів може супроводжувати й інші ядерні реакції.
Рис.14. Ядро атома випромінює гамма-квант.
2.2.4 Ядерні реакції
Ядерні реакції — це перетворення атомних ядер внаслідок їх взаємодії з елементарними частинками або між собою. На практиці ядерні реакції здебільшого здійснюють з метою з'ясування механізму взаємодії нуклонів між собою, нуклонів з ядрами, а також одержання деяких квантових характеристик ядра, перевірки правильності різних моделей будови ядра тощо. Ядерні реакції відбуваються переважно при бомбардуванні ядер якоїсь речовини потоком прискорених частинок (протонів, а-частинок, нейтронів та ін.).
Ядерні реакції поділяються на реакції розпаду та реакції синтезу. Особливим типом ядерної реакції є поділ ядра.
Першу штучно викликану ядерну реакцію спостерігав у 1919 році Ернест Резерфорд, опромінюючи альфа-частинками азот. Реакція відбувалася за схемою
Невелика кількість ізотопів здатна до поділу — реакції при якій ядро ділиться на великі частини. Поділ ядра може відбуватися як спонтанно, так і вимушено - під дією інших частинок, здебільшого — нейтронів.
Рис.15. Схематичне зображення поділу ядра 235U при поглинанні нейтрона.
1939 року було виявлено, що ядра урану-235 здатні не лише до спонтанного поділу (на два легших ядра) з виділенням ~200 МеВ енергії та випроміненням двох-трьох нейтронів, але й до вимушеного поділу, що ініціюється нейтронами. Враховуючи, що в результаті такого поділу теж випромінюються нейтрони, які можуть викликати нові реакції вимушеного поділу сусідніх ядер урану, стала очевидною можливість ланцюгової ядерної реакції. Така реакція не відбувається у природі лише тому, що природний уран на 99,3% складається з ізотопу урану-238, а до реакції поділу здатен лише уран-235, якого у природному урані міститься лише 0,7%.
При поглинанні нейтрона ядро починає сильно деформуватися, витягатися, тоншати по центру, утворюючи тонку шийку посередині з двома кулями на кінцях («гантелю»), а потім дві кулі, які стають ядрами легших елементів, розлітаються з величезною швидкістю у різні боки. Часто при цьому в різні боки летять також інші осколки й друзки: альфа-частинки, нейтрони, гамма-кванти.
Продукти поділу наперед визначити неможливо. З більшою або меншою ймовірністю утворюються різні атоми з середини періодичної таблиці. Багато з них є радіоактивними. З часом радіоактивні продукти реакції розпадаються, доволі часто проходить низка розпадів, перш ніж утвориться стабільне ядро. При приблизно рівному поділі утворюються два ядра з масами близько 115 а.о.м..
Рис.16. Розподіл продуктів поділу 235U за масою.
При поділі ядер виділяються нейтрони. Їхня кількість залежить від конкретного сценарію поділу. Зазвичай виділяються 2-3 нейтрони. Ці нейтрони можуть захопитися іншими, ще неподіленими ядрами, й викликати їхній поділ, при якому знову ж таки виділяються нові нейтрони. Така реакція називається ланцюговою. Ланцюгова реакція характеризується коефіцієнтом розмноження нейтронів. Він залежить не тільки від кількості нейтронів, що виділяються при кожному акті поділу, а й від втрат нейтронів: частина нейтронів вилітає за межі області, де відбувається реакція і знаходяться здатні до поділу ядра, інша ж частина поглинається ядрами інших (стабільних)хімічних елементів і не викликає реакцій поділу. Якщо коефіцієнт розмноження більший за одиницю, виникає вибух. Такий сценарій використовується у атомних бомбах. Якщо коефіцієнт розмноження строго дорівнює одиниці, то реакція протікає стабільно. Такий сценарій використовується у ядерних реакторах.
Ймовірність поглинання нейтрона ядром залежить від енергії нейтрона. Для 235U ймовірність збільшується при зменшенні швидкості нейтронів. Тому у ядерних реакторах використовуються сповільнювачі нейтронів. Оскільки найважливішими для реакції поділу є теплові нейтрони, то коефіцієнт розмноження нейтронів залежить від температури у ядерному реакторі. Для управління реакцією у реактор вводять (або виводять) речовини, здатні поглинати нейтрони, таким чином зменшуючи (або збільшуючи) їхній потік.
2.3 Ядерні реакції у житті людини
2.3.1 Ядерний реактор
Ядерний реактор - це пристрій, в якому здійснюється керована ланцюгова ядерна реакція, що супроводжується виділенням енергії. Перший ядерний реактор побудований і запущений в грудні 1942 року в США під керівництвом Е. Фермі. Першим реактором, збудованим за межами США, став ZEEP, запущенний в Канады в вересні 1945 року. В Европі першим ядерним реактором стала установка Ф-1, запрацювавша 25 грудня 1946 року в Москві під керівництвом І. В. Курчатова.
1 - Керуючий стрижень;
2 - Радіаційний захист;
3 - Теплоізоляція;
4 - Сповільнювач;
5 - Ядерне паливо;
6 - Теплоносій.
Рис.17. Схематичний пристрій гетерогенного реактора на теплових нейтронах.
Ядерний реактор може працювати із заданою потужністю протягом тривалого часу лише в тому випадку, якщо на початку роботи має запас реактивності. Виняток становлять підкритичні реактори із зовнішнім джерелом теплових нейтронів. Звільнення пов'язаної реактивності по мірі її зниження у силу природних причин забезпечує підтримку критичного стану реактора в кожен момент його роботи. Початковий запас реактивності створюється шляхом побудови активної зони з розмірами, значно переважали критичні. Щоб реактор не ставав надкритичним, одночасно штучно знижується k0 розмножуючого середовища. Це досягається введенням в активну зону речовин-поглиначів нейтронів, які можуть видалятися з активної зони в подальшому. Так само як і в елементах регулювання ланцюгової реакції, речовини-поглиначі входять до складу матеріалу стрижнів того чи іншого поперечного перерізу, що переміщаються по відповідним каналам в активній зоні. Але якщо для регулювання досить одного-двох або декількох стрижнів, то для компенсації початкового надлишку реактивності число стрижнів може досягати сотні. Ці стрижні називаються компенсуючими. Регулюючі та компенсуючі стрижні не обов'язково являють собою різні елементи по конструктивному оформленню. Деяке число компенсуючих стрижнів може бути стрижнями регулювання, проте функції тих і інших відрізняються. Регулюючі стрижні призначені для підтримки критичного стану у будь-який момент часу, для зупинки, пуску реактора, переходу з одного рівня потужності на інший. Всі ці операції вимагають малих змін реактивності. Компенсуючі стрижні поступово виводять з активної зони реактора, забезпечуючи критичний стан протягом
всього часу його роботи.
Іноді стрижні управління робляться не з матеріалів-поглиначів, а ділиться речовини або матеріалу-розсіювача. У теплових реакторах - це переважно поглиначі нейтронів, ефективних ж поглиначів швидких нейтронів немає. Такі поглиначі, як кадмій, гафній та інші, сильно поглинають лише теплові нейтрони завдяки близькості першого резонансу до теплової області, а за межами останньої нічим не відрізняються від інших речовин за своїм поглинаючим властивостями. Виняток становить бор, переріз поглинання нейтронів якого знижується з енергією значно повільніше, ніж у зазначених речовин, за законом l / v. Тому бор поглинає швидкі нейтрони хоча і слабо, але трохи краще за інших речовин. Матеріалом-поглиначем в реакторі на швидких нейтронах може служити тільки бор, по можливості збагачений ізотопом 10В. Крім бору в реакторах на швидких нейтронах для стрижнів управління застосовуються і діляться матеріали. Компенсуючий стрижень з подільного матеріалу виконує ту ж функцію, що і стрижень-поглинач нейтронів: збільшує реактивність реактора при природному її зниження. Однак, на відміну від поглинача, такий стрижень на початку роботи реактора знаходиться за межами активної зони, а потім вводиться в активну зону. З матеріалів-розсіювачів у швидких реакторах вживається нікель, має переріз розсіяння швидких нейтронів дещо більше перетинів інших речовин. Стрижні-розсіювачі розташовуються по периферії активної зони та їх занурення у відповідний канал викликає зниження витоків нейтронів з активної зони і, отже, зростання реактивності. У деяких спеціальних випадках цілям управління ланцюговою реакцією служать рухомі частини відбивачів нейтронів, при переміщенні змінюють витоку нейтронів з активної зони. Регулюючі, компенсуючі та аварійні стрижні спільно з усім обладнанням, що забезпечують їх нормальне функціонування, утворюють систему управління і захисту реактора.
На випадок непередбаченого катастрофічного розвитку ланцюгової реакції, а також виникнення інших аварійних режимів, пов'язаних з енерговиділенням в активній зоні, в кожному реакторі передбачено екстрене припинення ланцюгової реакції, здійснюване скиданням в активну зону спеціальних аварійних стрижнів або стрижнів безпеки. Аварійні стрижні виготовляються з поглинаючого нейтрони матеріалу. Вони скидаються під дією сили тяжіння в центральну частину активної зони, де найбільший потік, а значить, і найбільш велика негативна реактивність, що вноситься в реактор стрижнем. Стрижнів безпеки, як і регулюють, зазвичай два або декілька, проте на відміну від регуляторів вони повинні зв'язувати можливо більшу величину реактивності. Роль стрижнів безпеки може виконувати і частина компенсуючих стрижнів.
2.3.2 Атомна бомба
Ядерна або атомна бомба — бомба, руйнівна сила якої отримується розщепленням ядра атома у результаті ланцюгової ядерної реакції. Є першим різновидом ядерної зброї та належить до зброї масового ураження. Вперше атомну бомбу було розроблено в 1940-х у США. Перше випробування здійснено 16 липня 1945 року на полігоні неподалік Аламогордо (штат Нью-Мексико). Основним фактором ураження атомного вибуху є надзвичайно потужна вибухова хвиля. Енергія, що вивільняється ядерним зарядом, еквівалентна вибуху декількох тисяч тонн тринітротолуолу. Така потужність вибуху призводить до суцільних руйнувань на відстані майже кілометра від епіцентру.
Крім вибухової хвилі уражаючими факторами є також світлове випромінювання та проникаюча радіація. Деякі дослідники виділяють окремо електромагнітний імпульс, що виникає внаслідок розсіювання рентгенівського випромінювання. Він не впливає на людей безпосередньо, але виводить з ладу електричне та електронне обладнання.
Внаслідок вибуху відбувається також зараження навколишнього середовища радіоактивними продуктами розпаду, що, як і проникаюча радіація, можуть викликати променеву хворобу.
Основу атомної бомби становить заряд, що складається з речовини, атомне ядро якої здатне до розщеплення. Наразі можуть використовуватися три такі речовини, це ізотопи урану з масовими числами 235 або 233 та ізотоп плутонію із масовим числом 239. Самопідтримуюча ланцюгова реакція поділу атомних ядер стає можливою, коли маса речовини перевищує деяку критичну межу. Для урану-235 критична маса становить близко 40 кг, для плутонію-239 — 10—13 кг. Вона залежить від точного ізотопного складу, щільності матеріалу та навіть його форми. Щоб запобігти передчасному вибухові, у перших зразках загальна маса атомного заряду вкладалася в корпус бомби окремими частинами, нарізно. Кожна з частин мала масу, меншу за критичну. В потрібний момент за допомогою детонатора і звичайної вибухівки частини поєднувалися і відбувався атомний вибух.
Рис.18. Принцип дії найпростішої атомної бомби гарматного типу.
У сучасних ядерних зарядах застосовують складнішу схему сферичної імплозії. У центрі сфери розташовано нейтронний ініціатор. Його оточено шаром ядерної речовини, що у звичайних умовах має масу менше критичної. Вона у свою чергу оточена оболонкою з матеріалу, що відбиває нейтрони. Зовнішній шар складають з лінз звичайної вибухівки (тринітротолоул, гексаген тощо) зі складною системою детонаторів, яка забезпечує сферичну концентрацію вибухової хвилі. Вибухова хвиля стискає атомний заряд і, таким чином, переводить його у надкритичний стан (за рахунок збільшення щільності). Крім того розбивається нейтронний ініціатор, що надає потужний поштовх для початку ядерної реакції.
РОЗДІЛ ІV. ЕЛЕКТИВНИЙ КУРС НА ТЕМУ « КОМП’ЮТЕРНА ПІДТРИКА ВИВЧЕННЯ ТЕМИ «БУДОВА АТОМА»
«Комп’ютерна підтримка вивчення теми "Будова атома"»
Передмова
Найбільшу допомогу кожному,
хто вивчає хімію і фізику,
насамперед надасть
гарне знання будови атома.
(Лайнус Полінг) .
«Будова атома» - важливий і великий розділ науки, для якого характерне з'єднання теоретичних і експериментальних методів дослідження. Зважаючи на складність будови атома як системи, що складається із значного числа нуклонів, при його дослідженні використовуються спеціальні моделі. Серед них крапельна модель ядра, модель ядерни оболонок і ін.
Вивчення будови атома істотно не тільки через її практичних додатків, але й тому, що в цьому курсі розширюються уявлення про фундаментальні сили природи, про глибинні законаи будови матерії. При вивченні будови атома людині відкривається новий світ - світ елементарних частинок.
При побудові курсу з багатьох точок зору раціонально реалізувати системний підхід при відборі змісту. Звідси вивчають атом як фізичну систему зі своїм складом і взаємодіями елементів, потім розглядають різні процеси - ядерні реакції. При цьому паралельно розглядаються характеристики об'єктів і явищ, вивчаються експериментальні засоби їх визначення. У самому кінці теми приходить черга практичних наслідків.
Пропонований варіант планування досить економний, але все ж перший і другий уроки можна об'єднати. Передбачається проведення лабораторних робіт. Після двох перших уроків зміст можна планувати за логікою підручника
Пояснювальна записка
Методична розробка елективного курсу адресована вчителям шкіл, викладає фізику і хімію, а так само учням старших класів. Відбір матеріалу проведений відповідно до вимог освітнього стандарту з фізики та хімії.
Цей курс являє собою систематичний збірник задач і питань по темі "Будова атома". Більшість завдань забезпечено рішеннями і вказівками, отримавши які учні можуть самостійно вирішити завдання. Останнє дуже важливо: самостійне рішення завдань - найбільш активний прояв знань і розуміння хімічних і фізичних законів, а вміння вирішувати завдання досягається вправами і роздумами, тому в даному купсі збільшено кількість завдань, забезпечених тільки відповідями. Посібник містить завдання з задачників середньої школи, а так само ряд завдань, методично цікавих і доступних із збірок для вступників до вузів.
Елективний курс «Компютерна підтримка вивчення теми "Будова атома"» доповнює і розвиває шкільний курс фізики, а також є інформаційною підтримкою обраного профілю подальшої освіти і орієнтований на задоволення допитливості школярів, оскільки збагачений великою кількістю цікавих анімацій, відеороликів, моделей фізичних процесів які особливо важко засвоюються учнями. У тих школах, в яких не організовуються елективні заняття за даною програмою, вчителі фізики можуть використовувати матеріали курсу для занять за обов'язковою програмою, а так само пропонувати за інтересами учнів.
Мета курсу: поглибити і розширити знання учнів профільної освіти за темою "Будова атома" в процесі вивчення шкільного курсу фізики , за допомогою комп’ютерної підтримки.
Основні задачі
Навчальна: узагальнення, систематизація, поглиблення знань про атом за даними розділів шкільного курсу фізики та хімії; формування вміння комплексного застосування знань при вирішенні навчальних теоретичних і експериментальних завдань; інтегрування знань при вивченні суміжних предметів, уміти застосовувати комп’ютер у навчанні.
Розвиваюча: розвиток спеціальних умінь учнів - експериментальних, практичних і т. д.; розвиток загальнонавчальних умінь - самостійної роботи, використання джерел інформації; організаційних - планування, самоконтролю; розвиток загальнолюдських умінь - здібностей до абстрагування, формування інтересу до предметів; розвиток творчих
здібностей, дослідницьких умінь, розвивати образне мислення за допомогою комп’ютера(вивчення законів,дослідів з «атомної та ядерної фізики»)
Виховна: розширення кругозору; виховання самостійності, розвиток світогляду, політехнічне виховання.
Форми і методи роботи: розповідь, бесіда, дісскуссія, робота з книгою, демонстрація, лабораторний і практичний методи, семінари.
Зміст курсу
Атомне ядро (6 годин).
Історія відкриття атома. Ізотопи. Відкриття нейтрона, протона. Енергія зв'язку ядра. Модель ядерних оболонок.
Теми рефератів
1. Відкриття періодичної системи елементів Д. І. Менделєєвим.
2. Дослідження російських вчених у галузі хімії і фізики атома і атомного ядра.
Радіоактивність (12 годин)
Радіоактивність атомних ядер. Експериментальні особливості α і β - розпаду. Продукти радіоактивного розпаду. Закон радіоактивного розпаду. Період напіврозпаду. Біологічна дія ядерних випромінювань. Поняття про дозу випромінювання та способи захисту від випромінювань.
Ядерні взаємодії (10 годин)
Види ядерних реакцій. Енергетичний вихід реакції. Способи отримання штучних ізотопів і нових хімічних елементів.
Ядерна енергія (6 годин)
Поділ ядра урану. Ланцюгова реакція поділу. Ядерний реактор. Принципи пристрою і дії АЕС. Поняття про термоядерні реакції. Фізико-хімічна конференція з теми: "" Атомна енергетика: за і проти ".
Лабораторні роботи
1. Вивчення розподілу ядра атома урану по фотографії треків.
2. Вивчення треків заряджених частинок за готовими фотографіями.
Атестація учнів
В якості основної форми оцінки учнів передбачається використовувати результати виступів на семінарах, підготовлені реферати, виконані експериментальні дослідження, вирішення завдань. Знання учнів після закінчення вивчення курсу можна оцінити за допомогою пропонованих завдань або тесту.
Тестові завдання по темі: "Радіоактивність. Правила зміщення "
1. Що являє собою альфа-випромінювання?
А) потік ядер водню;
Б) потік ядер гелію;
В) потік нейтронів.
2. Що являє собою гамма-випромінювання?
А) потік нейтронів;
Б) потік швидких електронів;
В) потік квантів електромагнітних випромінювань.
3. Що являє собою бета-випромінювання?
А) потік швидких електронів;
Б) потік квантів електромагнітного випромінювання;
В) потік нейтронів.
4. Елемент az X випробував альфа-розпад. який заряд і масове число буде у нового елемента Y.
А) a z+1 Y ;
Б) a-4z-2 Y ;
В) a z-1 Y.
5. Елемент az X випробував бета-розпад. який заряд і масове число буде у нового елемента Y?
А) a-4 z-2Y ;
Б) az-1Y ;
В) a z+1Y .
6. Яке з трьох типів випромінювань: альфа, бета або гамма має найбільшою проникаючою здатністю?
Α) α;
Б) β;
В) γ.
7. Що станеться з ізотопами урану-237 при β - розпаді? Як змінюється масове число нового елемента? Вліво або вправо в таблиці Менделєєва відбувається зрушення? Записати реакцію.
8. Запишіть реакцію безпосереднього перетворення актинія 227 в францій-223; альфа або бета розпад має місце?
9. У що перетворюється 238 92 U після альфа розпаду і двох бета розпадів?
10. Чому рівні число протонів і число нейтронів в ізотопі літію 73Li?
А) z=3, n=7 ;
Б) z=7, n=3 ;
В) z=3, n=4.
11.Першу в світі ядерну реакцію з отриманням нового елемента отримав Резерфорд: 7 14N + 42He -> x +11H. Який елемент отримав Резерфорд?
А) 199 F ;
Б) 178 О;
В) 168О.
12. Чому дорівнює число протонів і число нейтронів в ізотопі фтору F?
А) z=9, n=19;
Б) z=z19, n=9 ;
В) z=3, n=4.
13. Повне перетворення елементів вперше спостерігалося в реакції
73 Li + 11 H ->?.В результаті якої з'явилося два однакових атома.что це за атоми.
А) Водень;
Б) Гелій;
В) Берилій.
14. Чому дорівнюють число протонів і число електронів в ізотопі 11B5?
А) z=5, n=11;
Б) z=119, n=5;
В) z=5, n=6.
15. Вкажіть другий продукт ядерної реакції: 73 Li + 11 H –> 42 Hе +?
А) n ;
Б) p ;
В) 42 Hе.
16. Який склад ядер натрію 23 Na 11, фтору 19 F 9і менделевія 257Md 101?
17. Допишіть реакції:
a) 239 Pu94 + 42 Hе –> ? +1 n0 б) 2H1 + –> 1 H1 + ?
18.Напишіть відсутні позначення в наступних ядерних реакціях:
Завдання для самостійного рішення
Завдання 1. У який елемент перетворюється уран 239 92U двох β - розпадів і одного α- розпаду? Напишіть відповідні ядерні реакції.
Завдання 2. При бомбардуванні ізотопу бору 105В - частинками утворюється ізотоп азоту 13 7 N. Яка при цьому викидається частинка? Написати реакцію позитронного розпаду радіоактивного ізотопу азоту 137N.
Завдання 3. Яка енергія Е виділяється при термоядерної реакції 21 Н + 31Н –> 42 Не + 10 n? Маси ізотопів і частинок:m 21 Н =2,01410 а.о.м., m 31 Н =3,01605 а.о.м., m Не =4,00260а.о.м., m n =1.00866 а.о.м.
Відповідь:
Задача 4. Яка енергія Е виділяється при ядерній реакції 73 Li + 21 Н –> 8 4 Be + 10 n ? Маси ізотопів і частинок: m Li = 7.01601 а.о.м., m Н = 2,01410 а.о.м,, m Be =8,00531 а.о.м., m n =1.00866 а.о.м..
Відповідь:
Задача 5. У який елемент перетворюється радіоактивний ізотоп 8 3Li після одного β-розпаду і одного α - розпаду?
Відповідь: в гелій.
Задача 6. При бомбардуванні азоту 13 7 N нейтронами 10 n утворюється нове ядро і викидається протон 11 Н. Отримане ядро виявляється β - радіоактивним. Написати рівняння реакції.
Задача 7. Виділяється або поглинається енергія при реакції 73 Li + 42 Не –> 10 5 B + 10 n? Маси ізотопів і частинок: m Li = 7.01601 а.о.м, m Не =4,00260 а.о.м, m B = 10,01294 а.о.м., m n =1.00866 а.о.м..
Відповідь:- поглинається.
Завдання 8. Яка електрична потужність Р атомної електростанції, яка витрачає за t = 1 добу масу m = 220 грам ізотопу 235 92 U і має ККД рівне 25%? При одному акті поділу 235 92 U виділяється Е 1 = 200 М еВ енергії.
Відповідь:
Задача 9. Знайти відношення швидкості α - частинки, що вилітає при α - розпаді з спочиваючого ядра урану з масовим числом 232, до швидкості отриманого ядра?
Завдання 10. У результаті ядерної реакції ядро захоплює нейтрон і випускає протон. На скільки одиниць змінилося масове число ядра?
Задача 11. Обчисліть дефект мас ядра кисню 17 О 8..
Завдання 12. Скільки 11 р, 10 n, 0-1 е,в атомах а) 7935 Br ,б) 8135 Вr
4.2 Результати проведення атестації після проходження елективного курсу «Комп’ютерна підтримка вивчення теми "Будова атома"»
В проходженні курсу брали учать дві групи курсантів,які навчались на третьому курсі ДНЗ ОПЛМТ з приблизно однаковим рівнем підготовки. Одна група проходила курс з комп’ютерною підтримкою, інша група без комп’ютерної підтримки. За час проведення курсу проводилося три самостійні роботи за однаковими завданнями.
По результатам самостійних робіт було визначено : відсоток успішності (скільки учнів написало роботу з оцінками 4 і вище, у відсотковому відношенні), відсоток якості( учні з оцінками 7 і вище) і середній бал.
Спочатку порівняємо значення успішності, якості і середнього балу для групи яка проходила курс з комп’ютерною підтримкою. Якщо звернути увагу на діаграму 1 можна побачити, що результат кожної контрольної роботи кращий попереднього. Тобто можна зробити висновок, що з часом використання віртуальних дослідів починає приносити свої «плоди».
Використання віртуальних дослідів дало змогу розширити можливості досліду як виду наочності та джерела знань; підвищити зацікавленість учнів процесом пізнання, що забезпечує значне поліпшення ефективності навчання фізики; збільшити обсяг самостійної роботи – індивідуальної, групової; збільшити інформаційну насиченість навчального матеріалу; розвити інтерес до дослідницької роботи; активізувати пізнавальну діяльність учнів
Діаграма 1
Діаграма 2
Діаграма 3
Діаграма 4
Діаграма 5
Як видно із діаграм використання комп’ютера при викладанні фізики сприяє збільшенню обсягу і поглибленню засвоєних знань, умінь і навичок, активації навчальної діяльності, інтересів, покращенню ставлення до навчання.
4.2 Правила техніки безпеки при роботі за комп’ютером
Під час роботи на комп'ютерах можуть діяти такі небезпечні та шкідливі фактори, як:
• фізичні;
• психофізіологічні.
Електробезпека при роботі.
Заходи щодо усунення небезпеки ураження електричним струмом зводяться до правильного розміщення устаткування та електричних кабелів. Інші заходи щодо забезпечення електробезпеки, збігаються з загальними
заходами пожежо- та електробезпеки.
В якості профілактичних заходів для забезпечення пожежної безпеки слід використовувати скриту електромережу, надійні розетки з пожежобезпечних матеріалів, силові мережі живлення устаткування виконувати кабелями, розрахованими на підключення в 3-5 разів більшого навантаження, включати й виключати живлення обладнання за допомогою штатних вимикачів. Треба регулярно робити очистку внутрішніх частин комп'ютерів, іншого устаткування від пилу, розташовувати комп'ютери на окремих неспалюваних столах. Для запобігання іскріння необхідно рідше встромляти і виймати штепсельні вилки з розеток.
Освітлення.
Система освітлення повинна відповідати таким вимогам:
• освітленість на робочому місці повинна відповідати характеру зорової роботи, який визначається трьома параметрами: об'єктом розрізнення -найменшим розміром об'єкта, що розглядається на моніторі ПК; фоном, який характеризується коефіцієнтом відбиття; контрастом об'єкта і фону;
• необхідно забезпечити достатньо рівномірне розподілення яскравості на робочій поверхні монітора, а також в межах навколишнього простору;
• на робочій поверхні повинні бути відсутні різкі тіні;
• в полі зору не повинно бути відблисків (підвищеної яскравості поверхонь, які світяться та викликають осліплення);
• величина освітленості повинна бути постійною під час роботи;
• слід обирати оптимальну спрямованість світлового потоку і необхідний склад світла.
Вимоги до монітору.
Основним обладнанням робочого місця користувача комп'ютера є монітор, системний блок та клавіатура.
Робочі місця мають бути розташовані на відстані не менше 1,5 м від стіни з вікнами, від інших стін на відстані 1м, між собою на відстані не менше
1,5 м. Відносно вікон робоче місце доцільно розташовувати таким чином, щоб природне світло падало на нього збоку, переважно зліва.
Робочі місця слід рошташовувати так, щоб уникнути попадання в очі прямого світла. Джерела освітлення рекомендується розташовувати з обох боків екрану паралельно напрямку погляду. Для уникнення світлових відблисків екрану, клавіатури в напрямку очей користувача, від світильників загального освітлення або сонячних променів, необхідно використовувати антиполискові сітки, спеціальні фільтри для екранів, захисні козирки, на вікнах - жалюзі.
Екран дисплея повинен бути розташованим перпендикулярно до напрямку погляду. Якщо він розташований під кутом, то стає причиною сутулості. Відстань від дисплея до очей повинна трохи перевищувати звичну відстань між книгою та очима. Перед екраном монітора, особливо старих типів, повинен бути спеціальний захисний екран. При його відсутності треба сидіти на відстані витягнутої руки від монітора.
Фільтри з металевої або нейлонової сітки використовувати не рекомендується, тому що сітка спотворює зображення через інтерференцію світла. Найкращу якість зображення забезпечують скляні поляризаційні фільтри. Вони усувають практично всі відблиски, роблять зображення чітким і контрастним.
Ще одним моментом, який стосується зору, є необхідність створення неоднорідного поля зору. Для цього можна розвісити на поверхнях (стінах) плакати та картини, виконані у спокійних тонах. Наприклад, пейзажі.
При роботі з текстовою інформацією (в режимі введення даних та редагування тексту, читання з екрану) найбільш фізіологічним правильним є зображення чорних знаків на світлому (чорному) фоні.
Монітор повинен бути розташований на робочому місці так, щоб поверхня екрана знаходилася в центрі поля зору на відстані 400-700 мм від очей користувача. Рекомендується розміщувати елементи робочого місця так, щоб витримувалася однакова відстань очей від екрана, клавіатури, тексту.
Робоча поза.
Зручна робоча поза при роботі з комп'ютером забезпечується регулюванням висоти робочого столу, крісла та підставки для ніг. Раціональною робочою позою може вважатися таке положення, при якому ступні працівника розташовані горизонтально на підлозі або підставці для ніг, стегна зорієнтовані у горизонтальній площині, верхні частини рук - вертикальні. Кут ліктєвого суглоба коливається в межах 70-90°, зап'ястя зігнуті під кутом не більше ніж 20°, нахил голови 15-20°.
Важливою є форма спинки крісла, яка повинна повторювати форму спини. Висота крісла повинна бути такою, щоб користувач не почував тиску на куприк або стегна. Крісло бажано обладнати бильцями. Його потрібно встановити так, щоб не треба було тягтися до клавіатури. Періодично користувачу необхідно рухатися, вчасно змінювати положення тіла і робити перерви у роботі.
При напруженій роботі за комп'ютером щогодини необхідно робити перерву на 15 хвилин через кожну годину і треба займатися іншою справою. Декілька разів на годину бажано виконувати серію легких вправ для розслаблення.
Для нейтралізації зарядів статичної електрики в приміщенні, де виконується робота на комп'ютерах, в тому числі на лазерних та світлодіодних принтерах, рекомендується збільшувати вологість повітря за допомогою кімнатних зволожувачів. Не рекомендується носити одяг з синтетичних матеріалів.
Комп'ютерні хвороби.
Наслідками регулярної роботи з комп'ютером без застосування захисних засобів можуть бути: захворювання органів зору (60% користувачів); хвороби серцево-судинної системи (20%); захворювання шлунково-кишкового тракту (10%); шкірні захворювання (5%); різноманітні пухлини
Вимоги безпеки перед початком роботи:
- увімкнути систему кондиціювання в приміщенні;
- перевірити надійність встановлення апаратури на робочому столі. Повернути монітор так, щоб було зручно дивитися на екран - під прямим кутом (а не збоку) і трохи зверху вниз, при цьому екран має бути трохи нахиленим, нижній його край ближче до оператора;
- перевірити загальний стан апаратури, перевірити справність електропроводки, з'єднувальних шнурів, штепсельних вилок, розеток, заземлення захисного екрана;
- відрегулювати освітленість робочого місця;
- відрегулювати та зафіксувати висоту крісла, зручний для користувача нахил його спинки;
- приєднати до системного блоку необхідну апаратуру. Усі кабелі, що з'єднюють системний блок з іншими пристроями, слід вставляти та виймати при вимкненому комп'ютері;
- ввімкнути апаратуру комп'ютера вимикачами на корпусах в послідовності: монітор, системний блок, принтер (якщо передбачається друкування);
- відрегулювати яскравість свічення монітора, мінімальний розмір світної точки, фокусування, контрастність. Не слід робити зображення надто яскравим, щоб не втомлювати очей.
Вимоги безпеки під час виконання роботи:
- необхідно стійко розташовувати клавіатуру на робочому столі, не опускати її хитання. Під час роботи на клавіатурі сидіти прямо, не напружуватися;
- для забезпечення несприятливого впливу на користувача пристроїв типу ”миша” належить забезпечувати вільну велику поверхню столу для переміщення ”миші” і зручного упору ліктьового суглоба;
- не дозволяються посторонні розмови, подразнюючі шуми;
- періодично при вимкненому комп'ютері прибирати ледь змоченою мильним розчином бавовняною ганчіркою порох з поверхонь апаратури. Екран ВДТ та захисний екран протирають ганчіркою, змоченою у спирті. Не дозволяється використовувати рідинні або аерозольні засоби чищення поверхонь комп'ютера.
Забороняється:
- класти будь-яку предмети на апаратуру комп'ютера;
- закривати будь-чим вентиляційні отвори апаратури, що може призвести
до її перегрівання і виходу з ладу.
Для зняття статичної електики рекомендується час від часу доторкатися до металевих поверхонь.
ВИСНОВКИ
1. Проведено аналіз літературних джерел, наукових праць, статей з питання використання комп’ютерних моделей при викладанні фізики.
2. Розглянуто психолого-педагогічні аспекти ефективного використання комп’ютерного моделювання при викладанні фізики. Вивчення атомної та ядерної фізики на основі використання навчальних комп’ютерних моделей дає змогу підвищити інтерес учнів до цього матеріалу, стимулювати розвиток пізнавальної активності і творчого мислення, формувати в студентів уявлення про комп’ютер як ефективний засіб пізнання закономірностей і явищ мікросвіту.
3. Розроблено методичні рекомендацій, щодо використання комп’ютерного моделювання. При поясненні багатьох явищ не можливо на дошці показати динамічну зміну процесів, і тут комп’ютерна модель зіграє для викладача велику допоміжну роль.
Тому я пропоную використовувати такі демонстрації як можна частіше.
Список використаної літератури