Опред. возр. Земли. К ур. Зак. рад. расп.
учебно-методический материал по астрономии

                                                                                            Жиронкин А.М. учитель физики

                                                                                      МБОУ Весёловская СОШ №1.

Физика (Астрономия) 11 класс.

К уроку: «Закон радиоактивного распада»

                                             Урок - конференция

Тема: «Определение возраста Земли»

         Цель урока:

а) Ознакомить учащихся с историей изменения взглядов человека на возраст   Земли и методом       «изотопного датирования»

б) Развитие интереса к  астрономии и физике.

в) Укрепление и развитие связи с другими предметами: математикой, биологией, химией.

        Оборудование: Схемы и задания, подготовленные на доске и компьютере.

       Форма проведения: Урок – конференция (с использованием машины

       времени).

       Ход урока:

I. Организация урока. Проверка готовности класса к уроку.

II. Новый материал.

       Председатель.  Уважаемые участники и почетные гости! Разрешите мне на правах председателя открыть научную конференцию «Определение возраста Земли».

       Возраст, размеры и форма Земли давно интересовали людей планеты. На нашей конференции, благодаря применению мечты фантастов, машины времени, мы сможем услышать ученых изучавших эту проблему как сотни лет назад, так и занимающихся этой проблемой в наши дни. Управляет машиной времени наш оператор. А вы, уважаемые участники конференции, должны принять действенное участие в работе конференции и делать необходимые записи.  Причем, за участие вы получите бонусы, которые в виде оценок будут выставлены в журнал.

       Итак, задаем машине времени 17 век и приглашаем для выступления епископа Ашера.

       Сигнал машины времени.

       Ашер.  Я епископ Ашер. Меня и как многих других людей интересовал возраст Земли. Изучая древнейшую книгу –  «Библию», я в 1654 году,  сложив возраст всех поколений патриархов, приведенных в ней, и добавив период истории, для которого имелись письменные источники, определил, что мир был сотворен в 4004 году до нашей эры. То есть Земле приблизительно 6 000 лет (запись на доске или компьютере: Ашер – 1654 г.  Земле  –  6 000 лет).

       Председатель.  До конца 18 века библейские оценки момента сотворения мира считались верными. Впервые противоречие с данными науки в этой области возникло в связи с исследованиями шотландского геолога Джеймса Хаттона.

       При помощи машины времени включаем 18 век и предоставляем слово Джеймсу Хаттону.

       Хаттон.  Я шотландец Джеймс Хаттон .Занимаясь геологическими исследованиями  в 1785  году установил, что Земля сформировалось  в   результате  физических, геологических и химических процессов, медленно действовавших в течение очень длительных периодов времени и продолжающих действовать сейчас. Эти периоды времени превышают человеческое воображение и могут быть тысячами, миллионами, а может быть и миллиардами лет. Точнее сказать трудно  (на доске или компьютере: Хаттон – 1785г. – Земле  миллионы,а может  миллиарды лет).

       Председатель.  Как видите Хаттон, усомнившись в библейских оценках возраста Земли, не мог указать конкретные цифры.

       Впервые возраст Земли на основании научных данных  был назван английским физиком Уильямом  Томсоном (лордом Кельвином)

       Включаем машину времени на 19 век и вызываем для выступления

У. Томсона (Кельвина).

       Томсон (Кельвин).  Я Уильям Томсон к 1854 году по излучаемому Солнцем потоку энергии рассчитал, что возраст Солнца 32 000 лет и что оно может излучать энергию  еще в 10 раз дольше. Возраст Земли, следовательно, никак не дольше 32 000 лет. (Доска, компьютер: Томсон – 1854 год. Земле  – 32 000 лет).

       Председатель.  Таков возраст Земли по Томсону, основанный на его научных расчетах.

       Но через несколько лет после таких высказываний Томсона (Кельвина) был опубликован труд другого великого англичанина. Это «Происхождение видов» Чарльза Дарвина. Он тоже внес вклад в изучение проблемы возраста Земли.

       У нас на шкале машины  времени по прежнему 19 век. Приглашаем Чарльза Дарвина.

       Дарвин.  Я Чарльз Дарвин, в своем труде «Происхождение видов» опубликованный в 1859 году, указал, что виды животного и растительного мира изменяются и эволюционируют, превращаясь в другие виды, на протяжении как минимум миллионов лет. (Доска, компьютер: Дарвин  – 1859 год. Земле  –  миллионы лет).

       Председатель.  Спорить по вопросам эволюции с самим Дарвином смысла нет. Он конечно прав. Как отнесется к его словам Томсон (Кельвин). Ему слово.

       Томсон (Кельвин).   Под влиянием доводов Дарвина и появившихся в последнее время идей Гельмгольца, я пересмотрел свою точку зрения о возрасте Земли. По идее Гельмгольца,  Солнце и другие звёзды образуются вследствие гравитационного сжатия метеорных тел. При этом выделяется гравитационная энергия достаточная, чтобы Солнце и звёзды разогрелись до высокой температуры и стали излучать свет и тепло. По известной массе Солнца и измеренной интенсивности излучения я вычислил, что такой источник энергии мог бы существовать 20 млн. лет.

       После этого я рассчитал возраст Земли, исходя из представлений о том, что Земля была вначале шаром расплавленной лавы, а затем остывало и время остывания до современного состояния по моим расчетам 25 млн. лет. Таким образом, я разными способами получил приблизительно один и тот же результат: возраст Земли несколько десятков миллионов лет ( доска, компьютер:  Кельвин – 1860 год. Земле  – десятки миллионов лет).

       Председатель.  Это утверждение просуществовало ещё несколько десятков лет. Пришёл XX век. Но прежде чем выслушать следующего учёного давайте напомним вопрос о круговороте воды в природе. Как он происходит? Как соли оказываются в океанской воде? Что происходит с концентрацией солей в океанских водах? ( Вода с поверхности океана испаряется, затем в виде осадков выпадает на землю.  Вымывая из неё соли она попадает в реки, которые впадают в океан. В океане вода снова испаряется, а соли остаются. Поэтому концентрация солей в океанских  водах постоянно растёт).

       А теперь включаем машину времени уже на  XX век. И даём слово ирландскому геологу Джону Джоли.

       Джоли.  Я Джон Джоли, в 1900 году обнародовал свои оценки возраста Земли. Решая вопрос о том, как океаны стали солёными, я взял измеренную концентрацию ионов натрия, разделил её на поток этих ионов, приносимых в океан речной водой, и вычислил, что для достижения океаном такой современной солености потребовалось 80 – 100 млн. лет. (доска, компьютер: Джоли – 1900 год. Земле  –  80 – 100 млн. лет.)

       Председатель.  Ко времени этих исследований была открыта радиоактивность. Уважаемые участники конференции, что же такое радиоактивность? Кто и когда ее открыл? (Это явление самопроизвольного превращения одних химических элементов в другие. Открыл  А. Беккерель в 1896 г.). Новозеландец Эрнест Резерфорд установил, что радиоактивность сопровождается выделением тепла. Он сделал вывод о том, что при непрерывном распаде радиоактивных элементов в Земле могло выделится значительное (с геологической точки зрения) количество теплоты, что могло замедлить остывание, и вычисленный возраст Земли может быть увеличен до миллиардов лет.

       Отсюда, в частности, следует вывод об ошибочности оценки возраста Солнца и об ошибочности представления об источнике солнечной энергии (гравитация).

       Резерфорд вместе со специалистом по радиохимии Фредом Содди разработал метод «изотопного датирования», с помощью которого можно  определить возраст Земли. Этот метод и ныне – одна из основ современной геологии.

       Но прежде чем мы предоставим слово Э. Резерфорду для изложения сути этого метода, давайте рассмотрим вопросы, которые вы должны были подготовить к этой конференции.

       1. Из чего состоят ядра атомов всех химических элементов? (из протонов и нейтронов).

       2. Что показывает порядковый номер элемента в таблице Менделеева? (количество протонов в ядре).

       3. Что такое изотопы? (химические элементы с одним и тем же числом протонов в ядре, но с разным числом нейтронов, химические свойства одинаковы).

       А теперь на шкале машины времени по прежнему 20 век и слово самому Резерфорду.

       Резерфорд.  Я, Эрнест Резерфорд, вместе с Содди разработал метод «изотопного датирования», который заключается в следующем.

       Будем обозначать химические элементы так: К40, Ar40, Ca40  – где 40  – это общее число частиц ( протонов и нейтронов ) в ядре.

       Рассмотрим метод «изотопного датирования» на примере распада радиоактивного изотопа К40.

       Изотоп К40 самопроизвольно распадается на изотопы Аr40 и Са40.  Как же это происходит?  (K40 + e0 → Ar40 ( – захват),  К40 → Ca40 + e0 ( – распад)). Скорость распада неизменна во времени и не зависит от внешних условий. Каждые 1,3 млрд.  лет из N имевшихся атомов К40 половина, т.е. N/2, распадается, причем 11% распавшихся атомов превращаются в Ar40 , а 89%  – в Са40. Химические свойства К40 и Ar40 различны: К40 обычный породообразующий элемент, а Ar40 – газ. Имея это в виду, рассмотрим состояние расплавленной магмы под земной корой непосредственно перед ее извержением. Атомы К40 в магме распадались в течении всего времени ее существования, и по этому в расплаве содержится определенное количество Аr40. Когда магма извергается на поверхность Земли, атомы газообразного Ar40 вырываются из расплава и теряются в пространстве. Магма быстро остывает и затвердевает, образуя извержённую породу, обычно первоначально содержащую несколько процентов К40 и не содержащую Ar40, так что отношение Ar40/К40=0, – это определяет точку отсчёта для данной породы. С этого момента времени атомы Ar40, образующиеся при распаде атомов К40, будут задерживаться в кристаллической решётке породы, и по мере того как количество атомов К40 непрерывно уменьшается, количество атомов Ar40 увеличивается.

       Отношение Ar40/К40, которое устанавливается химическим путём, определяется исключительно возрастом породы и не зависит ни от каких других факторов, и поэтому его определение непосредственно даёт возраст.

       Давайте вместе посмотрим график зависимости возраста породы от отношения Ar 40 / K40.

       Через 1,3 млрд. лет: атомов Ar 40 будет 0,11 N/2, а К40 –  N/2 и Ar 40 / К40  = 0,11.

       Через 2,6 млрд. лет: атомов Ar 40 будет 0,11 N/4 + 0,11 N/2 = 0,11 • 3N/4, а К40 – N/4 и Ar 40 /К40 = 0,33.

       Через 3,9 млрд. лет: атомов Ar 40 будет 0,11 • N/8 + 0,11 • 3N/4 = 0,11 • 7N/8, а К40  – N/8 и Ar 40/ К40  = 0,77.

       Через 5,2 млрд. лет: атомов Ar 40 будет 0,11 • N/16 + 0,11 • 7N/8 = 0,11 • 15N/16, а К40 – N/16 и Ar 40 /К40 = 1,65.

       На графике это будет выглядеть так.

       Председатель.  Что же нужно для того, чтобы определить возраст той или иной земной породы?

     1)  Исследовать породу химическими средствами и установить количество Ar40 и К40 в ней.

     2)  Найти отношение Ar 40 /К40.

     3)  По графику, зная отношение Ar 40 /К40, определить возраст породы.

       Очевидно, что возраст Земли по меньшей мере равен возрасту самых старых пород. Наиболее точные результаты даёт метод изучения распада урана, хотя этот метод и сложнее, чем калиево-аргоновый. Резерфорд и Содди, используя распад урана,  нашли породы с возраста до 2 млрд. лет.

       Первое точное определение возраста Земли было осуществлено Кларой Паттерсон, в 1955 году в США. Ей слово.

       Паттерсон.  Я Клара Паттерсон, определила изотопный состав свинца (конечный продукт распада урана) в океанических осадках (средний по всей земной коре).  Как же уран распадаясь, превращается в конце концов в свинец? (Серия из восьми  - превращений и шести  - превращений. Ах - 4Nα = Ay (238 - 48 = 206);  Zx + Nβ - 2Nα = Zy (92 + 6 - 28 = 82). Таким образом из урана    получился свинец  ).

       Таким образом я получила возраст Земли 4,5±0,2 млрд. лет. Этот результат многократно проверялся и уточнялся, и сейчас принято считать возраст Земли равным 4,6± 0,1 млрд. лет.

       Председатель.  Подведём итоги нашей конференции и повторим рассмотренные вопросы:

1. Каков «библейский» возраст Земли?

2. Опишите и сопоставьте сущность воззрений на возраст Земли Хаттона,  Кельвина,  Дарвина,  Джоли.

3. В чём была новизна взглядов Резерфорда на возраст Земли?

4. Какова сущность метода «изотопного датирования»?

5. Как определяется возраст пород методом «изотопного датирования».

6. Каковы современные представления о возрасте Земли?

III. Подведение итогов урока.

IV. Задание на дом. § 100, 101.

(Дополнительное домашнее задание исследовательского характера:

1. Где ещё используется метод «изотопного датирования»?                                                                                                                                                                                                                      

2. Найти другие методы определения возраста земных пород, останков растений и животных).

       t 109 лет

6

5

4

3

2

1                                                                                                                              

                                                                                                                                Ar40/K40

0                                                                                                                            

   0                            0,5                           1                          1,5                           2