Урок физики в 11 классе по теме " Радиоактивные превращения. Закон радиоактивного распада. Период полураспада"
методическая разработка по физике (11 класс)

Урок физики " Радиоактивные превращения. Закон радиоактивного распада. Период полураспада"

Тип урока: урок получения новых знаний

Цели урока:

-изучить  радиоактивные превращения(правила смещения и закон сохранения зарядового

 и массового чисел);

- изучить закон радиоактивного распада;

- научиться решать задачи на правило смещения, на закон радиоактивного распада.

Задачи урока:

образовательные:

 - ознакомление учащихся с правилом смещения;

 - расширение представлений учащихся о физической картине мира; 
развивающие:

 - отработать сущность физической природы радиоактивности,

радиоактивных превращений, правил смещения по периодической

 системе химических элементов;

 - продолжить развитие навыков работы с таблицами и схемами;

 - продолжить развитие навыков работы: выделение главного,

развитие внимательности, умений сравнивать, анализировать и обобщать факты, способствовать развитию критического мышления.
воспитательные: 

- способствовать развитию любознательности,

- формировать умение излагать свою точку зрения и отстаивать свою правоту.
Методы и формы работы: групповая и микрогрупповая работа (реализация системно-деятельного подхода), беседа, фронтальная и индивидуальная работа.

Средства обучения: компьютер, мультимедиапроектор, сборник задач по физике

А.П.Рымкевич и П.А.Рымкевич с периодической системой химических                                 элементов Д.И.Менделеева.

Этапы:

1. Организационный момент урока

Здравствуйте, уважаемые жюри, ребята. Меня зовут Наталья Викторовна Сатункина, я учитель физики Лесогорской средней школы. Я очень рада вас видеть.

-Для начала настроимся на приятную работу. Поднимите, пожалуйста, руку те, кто сегодня перед выходом из дома смотрелся в зеркало.

  -Теперь поднимите, пожалуйста, руку те, кто посмотрел в зеркало и улыбнулся. Вижу, что не все. Ну что же, кто не смог сделать этого утром, улыбнёмся сейчас вместе.

-Посмотрите друг на друга и улыбнитесь! Спасибо.

Теперь вы готовы к работе.

Эпиграф нашего урока

«Ну, начнем! Дойдя до конца нашей истории, мы будем знать больше, чем теперь».

Ханс Кристиан Андерсен «Снежная королева»

2. Актуализация знаний. Проверка домашнего задания.

На доске находится таблица схема опыта Резерфорда

Я предлагаю вам ответить на вопросы:

• Какова была цель опыта Резерфорда?  (ЦОР – Опыт Резерфорда -3).
• Какие результаты получил  Резерфорд?
• Какие выводы сделал Резерфорд из опыта? (ЦОР – Опыт Резерфорда – 5)

Замечательно. Я предлагаю вам выполнить тестовое задание, думаю, что эта работа не вызовет у вас затруднений. (У вас 5 мин) Подписываем листочки № 1

Тест по теме: «Строение атома»

1. Принятая в настоящий момент в науке модель структуры атома обоснована опытами
по...

1. растворению и плавлению твердых тел
2. ионизации газа
3. химическому получению новых веществ
4. рассеянию a-частиц

2.В опыте Резерфорда a-частицы рассеиваются...

1. электростатическим полем ядра атома
2. электронной оболочкой атомов мишени
3. гравитационным полем ядра атома
4. поверхностью мишени

3.Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов

1. Только 1
2. Только 2
3. И 1, и 2
4. Ни 1, ни 2

4.Какое утверждение соответствует планетарной модели атома?

a.   Ядро -  в центре атома, заряд ядра положителен, электроны на орбитах вокруг ядра

b.  Ядро -  в центре атома, заряд ядра отрицателен, электроны на орбитах вокруг ядра

c.  Электроны – в центре атома, ядро обращается вокруг электронов, заряд ядра  
положителен

d.  Электроны – в центре атома, ядро обращается вокруг электронов, заряд ядра
    отрицателен.

А теперь поменяемся с соседом и проверим работу. За каждый правильный ответ ставим «1», за неправильный «0», подсчитываем кол-во «1» и выставляем соответствующий балл своему товарищу.

- Ребята, предлагаю вам найти в списке слова, обозначающие явления: ион, атом, протон, электризация, нейтрон, проводник, напряжённость, электричество, диэлектрик, электроскоп, заземление, поле, оптика, линза, сопротивление, напряжение, вольтметр, амперметр, заряд, радиоактивный распад, мощность, освещение, радиоактивные превращения, магнит, генератор, телеграф, компас, намагничивание.

- Дайте определения этим явлениям. (Прием КАК Я ЭТО ПОНИМАЮ)

Для какого явления мы ещё не можем дать определение?

Правильно, для радиоактивных превращений и радиоактивного распада. Я думаю, что вы уже догадались, о чем пойдет речь сегодня на уроке.

Кто может сформулировать тему нашего урока?

Замечательно, открываем рабочие тетради и записываем число и тему урока

Тема урока: Радиоактивные превращения. Закон радиоактивного распада. Период полураспада.

А теперь попробуем определить цель урока:

3. Постановка проблемы.

Сейчас я предлагаю вам  сформировать группы по 4 чел. (разворачивается передняя парта назад), чтобы выполнить вам следующую работу:

Обучающая структура Эй Ар Гайд («Руководство предположения / рекации») – обучающая структура, в которой сравниваются знания и точки зрения учеников по теме До и После выполнения «упражнения – раздражителя» для активизации мышления (видео, картинка, доклад). Данная обучающая структура предназначена для развития критического и креативного мышления.

При изучении новой темы «Радиоактивные превращения. Закон радиоактивного распада. Период полураспада», после сформулированных целей урока, учащимся раздается таблица с данной структурой.

1. В столбике «ДО» поставьте «+», если вы согласны с утверждением, или «–», если вы не

согласны с утверждением.

2. Чтобы принять решение, учитывайте свои знания, личный опыт, убеждения.

Можно занять свои привычные места и вместе найти истину. К таблице мы еще вернемся.

4. Объяснение новой темы.

§ 100. Радиоактивные превращения

Как вы думаете, что же происходит с веществом при радиоактивном излучении? Ответить на этот вопрос в начале XX в. было очень не просто. Уже в самом начале исследований радиоактивности обнаружилось много странного и необычного.

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

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

Как вы думаете, откуда берется эта энергия, на выделение которой не оказывают никакого влияния все известные воздействия? В течение урока мы должны ответить на этот вопрос.

Возможно, при радиоактивности вещество испытывает какие-то глубокие изменения, совершенно отличные от обычных химических превращений.

Мы рассмотрим самые первые опыты, начатые Резерфордом.

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

Резерфорд выделил радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность. Оказалось, что активность этого газа (в отличие от активности тория, урана и радия) очень быстро убывает со временем. Каждую минуту активность убывает вдвое, и через десять минут она становится практически равной нулю.

Содди исследовал химические свойства этого газа и установил, что он не вступает ни в какие реакции, т. е. является инертным газом. Впоследствии этот газ был назван радоном и помещен в периодической системе Д. И. Менделеева под порядковым номером 86. Превращения испытывали и другие радиоактивные элементы: уран, актиний, радий.

Вывод: радиоактивностью называется явление самопроизвольного превращения ядер одного химического элемента в ядро другого химического элемента. Радиоактивные превращения ядер обязательно сопровождаются испусканием радиоактивных излучений,  излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях. В природе наиболее часто встречаются два типа радиоактивных превращений – альфа-распад и бета-распад.

Э. Резерфорд выдвинул предположение, что превращения претерпевают сами ядра.

Ведь α-частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов оболочки на единицу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент.

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

Правило смещения.

ЦОР – альфа распад, бета распад

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

Аппликация предложить сделать на доске

 Превращения ядер подчиняются правилу смещения, сформулированному впервые Фредериком Содди в 1903 г: 

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

Символически это можно записать так:

Здесь элемент обозначается, как и в химии, общепринятыми символами: заряд ядра записывается в виде индекса слева внизу у символа, а атомная масса — в виде индекса слева вверху у символа. Например, водород обозначается символом  Для α-частицы, являющейся ядром атома гелия, применяется обозначение  и т. д.

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

При β-распаде из ядра вылетает электрон. В результате заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной:

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

Кроме альфа- и бета-распадов радиоактивность сопровождается гамма-излучением. При этом из ядра вылетает фотон.

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

Возникшие при радиоактивном распаде новые ядра могут быть также радиоактивны и испытывать дальнейшие превращения. Возникает цепочка радиоактивных превращений. Ядра, связанные с этой цепочкой, образуют радиоактивный ряд или радиоактивное семейство.

В природе существует три радиоактивных семейства:

-  урана  →  ,

- тория →

- актиния→

Согласно правилу смещения при радиоактивном распаде сохраняется суммарный электрический заряд и приближенно сохраняется относительная атомная масса ядер. (Закон сохранения зарядового и массового числа)

§ 101. Закон радиоактивного распада. Период полураспада

Радиоактивный распад любого атомного ядра является случайным процессом, момент времени распада какого-либо одного ядра предсказать невозможно. Если имеется большое количество одинаковых радиоактивных ядер, то вероятность распада каждого из них в любой момент времени одинакова. Чем больше имеется радиоактивных ядер, тем больше распадов происходит в единицу времени, с убыванием количества ядер убывает и число радиоактивных распадов в единицу времени.

Радиоактивный распад подчиняется статистическому закону.

Где N0 – число радиоактивных ядер в начальный момент времени;

N – число ядер в момент времени t;

Т - период полураспада,  это время, в течение которого распадается половина начального числа радиоактивных атомов.

Спад активности, т. е. числа распадов в секунду, в зависимости от времени для одного из радиоактивных препаратов изображен на рисунке 13.8. Период полураспада этого вещества равен 5 сут.

Для разных веществ период полураспада имеет сильно различающиеся значения.

Так, период полураспада урана  равен 4,5 млрд лет. Именно поэтому активность урана на протяжении нескольких лет заметно не меняется. Период полураспада радия значительно меньше — он равен 1600 лет. Поэтому активность радия значительно больше активности урана. Есть радиоактивные элементы с периодом полураспада в миллионные доли секунды.

-Возвратимся к вопросу, поставленному в начале урока:

Итак, откуда берется энергия при радиоактивных превращениях?

Учащиеся либо самостоятельно или с помощью учителя находять ответ на этот вопрос.

4. Теперь, возвращаемся к таблице,еще раз прочтите все утверждения.

5. В столбике «ПОСЛЕ» поставьте «+», если вы согласны с утверждением, или «–», если

вы не согласны с утверждением.

6. СРАВНИТЕ столбики «ДО» и «ПОСЛЕ», изменились ли ваши утверждения. Если изменились, то какие и почему.

7. Какие из этих утверждений являются самыми главными для вас? Почему?

После выполнения данной структуры, обязательно нужно обсудить это в каждой команде.

5. Закрепление полученных знаний  при решении задач.

Рассматриваются задания № 1, 2, 3.

Трое учеников у доски выполняют задания с последующими комментариями.

 При выполнении заданий показывается краткая запись нескольких α- и β- распадов.

Распечатка №1.

Задания к уроку по теме « Радиоактивные превращения».

1. Решите задачи.

Напишите реакции следующих распадов:

1. α-распад урана-238.

2. β-распад свица-209.

3. α- распад, а затем два β-распада изотопа полония-214.

4. 6 α-распадов, а затем 4 β-распада изотопа тория-232.  

1. В какое ядро превращается торий-234 при трех последовательных α-распадах?

2. Какое ядро образуется из радиоактивного изотопа сурьмы-133 после четырехβ-распадов?

3. Какое ядро образуется из радиоактивного лития -8 после одного α-распада и одного β-распада?

Этап 6. Решение задач повышенной сложности. (Объясняет учитель)

Задача 4

Вследствие цепочки радиоактивных распадов  превращается в .

Сколько при этом происходит α и β – распадов ?

Решение:

Схема реакции

→   + y * + x *

Из закона сохранения массового числа определяем  x:

238 = 206 + x * 4      отсюда    x = 8

Из закона сохранения зарядового числа определяем  y:

92 = 82 – y*1 + 8 * 2   отсюда    y = 6

Ответ: 8 α – распадов и 6 β- распадов.

Это и есть радиоактивный ряд урана. Но в каком порядке происходит чередование α и β – распадов? Работы учёных дали такой результат:

(проецируется или записывается на классной доске) ИЛИ АППЛИКАЦИЯ

6. Самостоятельная работа у доски на составление уравнений радиоактивного

    распада ряда урана (парой ПО ЦЕПОЧКЕ Можно писать и составлять аппликацию)

Запишите все 14 ядерных реакций с указанием названия изотопа образовавшегося

ядра атома и его тип радиоактивности: (по рядам 1 ряд 1-5, 2 ряд 6-10, 3 ряд 11-14), используя таблицу и схему на доске

1. →     +      - изотоп тория(β)
2. →    +    - изотоп протактиния (β)
3. →    +     - изотоп урана(α)
4. →     +      - изотоп тория(α)
5. →     +      - изотоп радия(α)
6. →     +   - изотоп радона(α)
7. →     +   - изотоп полония(α)
8. →     +   - изотоп свинца(β)
9. →    +     - изотоп висмута (β)
10. →    +     - изотоп полония (α)
11. →     +    - изотоп свинца(β)
12. →    +     - изотоп висмута   (β)
13. →    +     - изотоп полония(α)
14. →     +    - изотоп свинца   -  стабилен

А теперь решим задачу на нахождение времени уменьшения активности радиоактивного элемента.

Задача 2. Среди загрязнений, вызванных аварией на ЧАЭС, наиболее опасен Cs-137 с периодом полураспада 30 лет. Через какое время его активность уменьшится в 8 раз?

Ответ: t=90лет.

7. Обобщение полученных знаний.

При радиоактивном распаде происходит превращение атомных ядер, сопровождающееся испусканием α-, β- и γ-лучей, излучением  огромного количества энергии.  Получившееся  в результате радиоактивного распада дочернее ядро, как правило само является радиоактивным. В результате возникает цепочка радиоактивных превращений, и ядра, связанные этой цепочкой, образуют радиоактивный ряд, или радиоактивное семейство. Члены радиоактивных рядов являются радиоактивными изотопами элементов, стоящих в соответствующих клетках периодической системы. Радиоактивные распады с течением времени уменьшают число нераспавшихся материнских ядер.

Закон,  по котрому происходит убыль числа распадающихся ядер называется законом радиоактивного распада, и используется для измерения времени в геологии и археологии. Этот закон справедлив для большого количества частиц.

8. Рефлексия деятельности на уроке

У каждого на парте лежат рисунки. Выразите своё отношение к уроку, закрасив его по любой линии  на пирамиде достижений.

        Закончить фразу

1. сегодня я узнал…
2. мне было интересно…
3. я понял, что…
4. теперь я могу…
5. я научился…
6. у меня получилось …
7. меня удивило…
8. урок дал мне для жизни…
9. мне захотелось…

9. Домашнее задание:

1. Домашнее задание

        Всем: §§ 100, 101, (упр. 14 (2,3)) – если не успели на закон распада

Задача 5 (1 вариант)

Вследствие цепочки радиоактивных распадов ряда тория   он превращается в .

Сколько при этом происходит α и β – распадов ?

Задача 6 (2вариант)

Вследствие цепочки радиоактивных распадов ряда актиния   он превращается в . Сколько при этом происходит α и β – распадов ?

Тем, кто сдает ЕГЭ

1. Провести с резерфордием ряд следующих превращений: α-, β- , β- ,γ-  распады.

2. Из какого элемента получится Ra( радий) при двух α-распадах и одного β-распада?

Задача 5 (1 вариант)

Вследствие цепочки радиоактивных распадов ряда тория   он превращается в .

Сколько при этом происходит α и β – распадов ?

Схема реакции

→  + y* + x*

Из закона сохранения массового числа определяем  x:

232 = 208 + x * 4      отсюда    x = 6

Из закона сохранения зарядового числа определяем  y:

90 = 82 – y*1 + 6 * 2   отсюда    y = 4

Ответ: 6 α – распадов и 4  β- распадa.

Задача 6 (2вариант)

Вследствие цепочки радиоактивных распадов ряда актиния   он превращается в . Сколько при этом происходит α и β – распадов ?

Схема реакции

→  + y * + x *

Из закона сохранения массового числа определяем  x:

235 = 207 + x * 4      отсюда    x = 7

Из закона сохранения зарядового числа определяем  y:

89 = 82 – y*1 + 7 * 2   отсюда    y = 7

Ответ: 7 α – распадов и 7  β- распадов.

Если останется время

Самостоятельная работа с взаимопроверкой.