Открытие радиоактивности.

Тема: Открытие радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма излучение.
Цель: ознакомить учащихся с открытием явления естественной радиоактивности и свойствами
радиоактивного излучения.
Оборудование: презентация «Радиоактивность».
Ход урока.
I.Организационный момент.
II. Повторение изученного материала.
1.Из каких частиц состоят все тела?
2. Откуда произошло слово «атом»?
3. Является ли атом неделимой частицей?
4. Что представляла собой модель атома. предложенная Дж.Томсоном?
5. Что представляла собой модель атома, предложенная Резерфордом?
6. Назовите постулаты Бора.
7. Что такое лазер?
8. Опасно или нет для здоровья воздействие лазерного луча на человека? Почему?
9. Кто из ученых одним из первых начал изучать явление радиоактивного излучения?
II. Изучение нового материала.
Открытие естественной радиоактивности – явление, доказывающее сложный состав атомного ядра,
произошло благодаря счастливой случайности. Возможно, об Антуане Беккереле осталась бы лишь
память как о весьма квалифицированном и добросовестном экспериментаторе, но не более, если бы
не то, что произошло 1 марта в его лаборатории. Вероятно не многие открытии в науке обязаны
своим происхождение плохой погоде. Если бы конец февраля 1896 года в Париже был солнечным, не
было бы обнаружено одно из самых важных научных явлений, разгадка которого привела к
перевороту в современной физике….
Слушая сообщения об опытах Рентгена на заседании Французской Академии 20 января 1896 года и
наблюдая за демонстрацией возникновения рентгеновских лучей в разрядной трубке, Беккерель
неотрывно смотрит на зеленоватое светящееся пятно на стекле возле катода. Мысль которая его
преследует: может быть, свечение образцов его коллекции тоже сопровождается испусканием
рентгеновских лучей? Тогда рентгеновские лучи можно будет получать, не прибегая к помощи
разрядной трубки.
Беккерель обдумывает свой эксперимент, выбирает из своей коллекции двойную сернокислую соль
урана и калия, кладет соль на фотопластинку, спрятанную от света в черную бумагу, и выставляет
пластинку с солью на солнце. Под влиянием солнечных лучей двойная соль стала ярко светится, но
защищенную фотопластинку это свечение не могло попасть. После проявление фотопластинки явно
проступало изображение лепешки из соли. НЕУЖЕЛИ верно, и соль в ответ на облучение
солнечными лучами испускает не только свет, но и рентгеновские лучи? Беккерель проверяет себя
еще и еще раз. 26 февраля 1896 года настали пасмурные дни, и Анри с сожалением прячет
приготовленную к эксперименту фотопластинку с солью в стол. Между лепешкой соли и
фотопластинкой он положил медный крестик, что бы проверить, пройдут ли сквозь него
рентгеновские лучи. Но погода была пасмурной и оставалась такой до 1 мата. Утро 1 марта было
солнечным и опыты можно было возобновить. Беккерель решил, однако, проявить пластинки,
лежавшие несколько дней в темном шкафу. На проявленной пластинке получил четкое изображение
и крестика и лепешки с солью! Минерал без предварительного освещения испускал невидимые лучи,
действовавшие на фотопластинку через непрозрачный экран. Беккерель немедленно ставит
повторные опыты. Оказалось, что соли урана сами по себе без всякого воздействия испускают
невидимые лучи, засвечивающие фотопластинку и проходящие через непрозрачный слои. 2 марта
Беккерель сообщил о своём открытии. Оказалось, что лучи могут испускать только соединения урана
– это урановые лучи, или лучи Беккереля, как их потом стали называть. Они способны ионизировать
воздух и разряжать заряженный электроскоп. Способность урана испускать лучи не ослабевали
месяцами. 18 мая 1896 года Беккерель со всей определенностью констатировал наличие этой
способности у урановых соединений и описал свойства излучения. Но чистый уран оказался в
распоряжении Беккереля только осенью, и 23 ноября 1896 года Беккерель сообщил о свойстве урана
испускать невидимые урановые лучи вне зависимости от его химического и физического состояния.
В 1897 году Беккерель продолжает изучать открытые им лучи.
В числе тех, кто всерьез заинтересовался открытием Беккереля, был и ряд выдающихся ученых, в
том числе, Анри Пуанкаре, Д. И. Менделеев, специально приехавший в Париж, чтобы познакомиться
с работами автором этого открытия и, что нужно подчеркнуть особо, супруги Пьер и Мария Кюри. В
это время стали известны первые результаты исследований Беккереля, способность “урановых
лучей” ионизировать воздух. Интерес этот был не случайным: незадолго до этого ее муж Пьер Кюри
вместе со своим братом Жаком изобрели очень удобный и чувствительный электрометр, основанный
на явлении пьезоэлектричества. Работать с электрометром было много проще, чем с
фотопластинками, и к тому же он позволял не просто констатировать наличие нового излучения, но
и довольно точно измерять его интенсивность. К тому времени уран был известен уже более ста лет
и ничем особым среди других элементов не выделялся: металл, тяжелый, серо-стального цвета,
использовали его в то время редко, в основном для окрашивания стекол и керамики в желто-зеленый
цвет. С помощью электрометра Мария Кюри терпеливо проверила радиоактивность практически все
известные в то время элементы (более 80) и вскоре обнаружила, что из них только торий также
обладает этим свойством — и даже в большей степени, чем уран .Это был важный результат,
поскольку он сразу же устранял вопрос об исключительности урана: если существует два
радиоактивных элемента, то почему их не может быть больше? После небольшого перерыва в
исследованиях (она ждет ребенка), уже через два месяца после рождения Ирэн, в декабре 1897 г.,
Мария Кюри с новой энергией возвращается к работе. Среди многочисленных химических веществ и
минералов ее особое внимание привлекла смоляная обманка из рудника близ Иоахимсталя в Чехии,
из которой в то время добывали уран. Радиоактивность смоляной обманки оказалась в четыре раза
выше, чем урана, в ней содержавшегося. Это было неожиданно, поскольку химические анализы
показали, что торий в смоляной обманке отсутствует. Тогда Мария Кюри предположила, что в
смоляной обманке присутствует не известный ранее радиоактивный элемент в количествах,
недоступных обычному химическому анализу. Если это действительно так, то его активность должна
быть в тысячи раз больше, чем активность урана, который составлял около 30 % от общего веса
руды. 16 декабря 1897 г. появляется первая запись Марии Кюри в лабораторном журнале. В марте
1898 г. Пьер Кюри оставил свои работы и присоединился к ней. Уже к 12 мая 1898 г. они были
уверены, что открыли новый элемент, который впоследствии получит имя “радий”, что означает
“луч”. В июле они обнаружили в отходах руды еще один радиоактивный элемент, названный ими
полонием — в память о родине Марии. 26 декабря 1898 г. они доложили о своих результатах
Французской академии наук. В то время Мария и Пьер уже могли продемонстрировать слушателям
препарат радия, который был в 900 раз активнее, чем равное ему по массе количество урана.
В 1903 г. Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди выдвинули теорию, согласно которой радиоактивные
излучения возникают при распаде атомных ядер. При распаде радиоактивные элементы
претерпевают трансмутацию – превращение в другие элементы. Радиоактивность — это природное
явление когда происходит самопроизвольный распад ядер атомов, при котором возникают
излучения. Эти излучения имеют большую энергию и способны ионизировать в той или иной
степени любое вещество. В последующие годы исследованием природы радиоактивных излучений
занимались многие физики, в том числе Э. Резерфорд и его ученики. Было выяснено, что
радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные
и нейтральные. Эти три вида излучений были названы  -,  -,  - излучениями. Классический
опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения, состоял в следующем.
Препарат радия помещали на дно узкого канала в куске свинца. Против канала находилась
фотопластинка. На выходившие из канала излучения действовало сильное магнитное поле, линии
индукции которого перпендикулярны лучу. Вся установка размещалась в вакууме. В отсутствии
магнитного поля на фотопластинки после проявления обнаруживалось одно темное пятно, точно
напротив канала. В магнитном поле пучок распадался на три пучка. Две составляющие первичного
потока отклонялись в противоположные стороны. Это указывало на наличие у этих излучений
электрических зарядов противоположных знаков. При этом отрицательный компонент излучения
отклонялся магнитным полем гораздо сильнее, чем положительный. Третья составляющая не
отклонялась магнитным полем. Положительно заряженный компонент получил название α- лучей,
отрицательно заряженный-β- лучей и нейтральный –  - лучей.
Альфа-излучение представляет собой поток ядер атома гелия, распространяющихся с начальной
скоростью около 20 тыс. км/с. Их ионизирующая способность огромна, а так как на каждый акт
ионизации тратится определенная энергия, то их проникающая способность незначительна: длина
пробега в воздухе составляет 3—11 см, а в жидких и твердых средах — сотые доли миллиметра.
Лист плотной бумаги полностью задерживает их. Надежной защитой от альфа-частиц является также
одежда человека. Поскольку альфа-излучение имеет наибольшую ионизирующую, но наименьшую
проникающую способность, внешнее облучение альфа-частицами практически безвредно, но
попадание их внутрь организма весьма опасно.
Бета-излучение — поток электронов, которые в зависимости от энергии излучения могут
распространяться со скоростью, близкой к скорости света (300 тыс. км/с). Заряд бета-частиц меньше,
а скорость больше, чем у альфа-частиц, поэтому они имеют меньшую ионизирующую, но большую
проникающую способность. Длина пробега бета-частиц с высокой энергией составляет в воздухе до
20 м, воде и живых тканях — до 3 см, металле — до 1 см. На практике бета-частицы почти
полностью поглощают оконные или автомобильные стекла и металлические экраны толщиной в
несколько миллиметров. Одежда поглощает до 50 % бета-частиц.
При внешнем облучении организма на глубину около 1 мм проникает 20—25 % бета-частиц.
Поэтому внешнее бета-облучение представляет серьезную опасность лишь при попадании
радиоактивных веществ непосредственно на кожу (особенно на глаза) или же внутрь организма.
Гамма-излучение — это электромагнитное излучение, испускаемое ядрами атомов при
радиоактивных превращениях. Оно, как правило, сопровождает бета-распад, реже альфа-распад. По
своей природе гамма-излучение представляет собой электромагнитное поле с длиной волны 10~8—
10~и см. Оно испускается отдельными порциями (квантами) и распространяется со скоростью света.
Ионизирующая способность его значительно меньше, чем у бета-частиц и тем более у альфа-частиц.
Гамма-излучение имеет наибольшую проникающую способность и в воздухе может
распространяться на сотни метров. Для ослабления его энергии в два раза необходим слой вещества
(слой половинного ослабления) толщиной: воды — 23 см, стали — около 3см, бетона — 10см, дерева
— 30 см. Из-за наибольшей проникающей способности гамма-излучение является важнейшим
фактором поражающего действия радиоактивных излучений при внешнем облучении. Хорошей
защитой от гамма-излучений являются тяжелые металлы, например свинец, который для этих целей
используется наиболее часто. Поражение человека радиоактивными излучениями возможно от
источников как искусственного, так и естественного происхождения.
ВЫВОД: Явление радиоактивности т.е. самопроизвольное излучение веществом , ,  - частиц
послужило основанием для предположения о том, что атомы вещества имеют сложный состав.
Что же происходит с веществом при радиоактивном распаде?
Уже самые первые опыты, проделанные Резерфордом совместно с английским ученым Ф. Содди,
убедили их, что при радиоактивном распаде происходит превращение одних химических элементов в
другие.
Теперь представьте себе, что много веков торжествовала идея Демокрита о неизменности атома
(«Сложен мир из мельчайших частиц»,- так считал древний грек … Демокрит) и в начале ХХ века
она ставится под сомнение.
Цепочки превращений испытали радиоактивные элементы: актиний, торий, уран. Общий вывод, к
которому пришли ученые, сформировал Резерфорд: радиоактивность представляет собой
самопроизвольное превращение одних в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц или
ядер.
Правила смещения. Превращение ядер подчиняется правилу смещения, сформулированному впервые
английским ученым Ф. Содди.
α – распад: Ядро теряет положительный заряд 2ē и масса его убывает на 4 а.е.м. Элемент смещается
на 2 клетки к началу периодической системы.
A
A-4
4
ZХ α →
Z-2Y + 2He
β – распад: из ядра вылетает электрон, заряд увеличивается на единицу, а масса остается почти
неизменной. Элемент смещается на 1 клетку к концу периодической системы.
A
A
0
ZХ β → Z+1Y + -1е
Проблемная ситуация. Вопрос к классу:
Если вы внимательно следите за моими рассуждениями, то должны мне задать вопрос. (Как же из
ядра вылетают электроны, если их там нет?!!!) Ответ: при β – распаде нейтрон превращается в
протон с испусканием электрона
1
1
0
0n → 1p + -1е + υ (υ - антинейтрино)
γ – излучение не сопровождается изменением заряда, масса же ядра меняется ничтожно мало.
III. Закрепление изученного материала.
А). Беседа по вопросам.
1.В чем заключалось открытие, сделанное Беккерелем в 1896г?
2. Как стали называть способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному
излучению?
3. Расскажите, как проводился опыт, схема которого изображена на рисунке. Что выяснилось в
результате данного опыта?
4. Как были названы частицы, входящие в состав радиоактивного излучения?
5. Что представляют эти частицы?
6. О чем свидетельствовало явление радиоактивности?
7. Сформулируйте правила смещения: α – распад; β – распад.
Б). Решение задач.
Задача 1: Изотоп тория 23090Th испускает α-частицу. Какой элемент при этом образуется?
Решение: 23090Th α → 22698Ra + 42He
Задача 2: Изотоп тория 23090Th испускает β-радиоактивен. Какой элемент при этом образуется?
Решение: 23090Th β → 23091Рa + 0-1e
Задача: Протактиний 23191Рa α –радиоактивен. С помощью правил «сдвига» и таблицы элементов
Менделеева определите, какой элемент получается с помощью этого распада.
Решение: 23191Рa α → 22789Ас + 42Не
Задача: В какой элемент превращения уран 23992U после двух β – распадов и одного α – распада?
Решение: 23992U β → 23993Np β → 23994Pu α → 23592U
Задача: Написать цепочку ядерных превращений неона: β, β, β, α, α, β, α, α
Решение: 2010Ne β → 2011Na β → 2012Mg β → 2013Al α → 1611Na α → 129F β → 1210Ne α →88O α → 46C
IV. Итог урока.
V. Домашнее задание: §98,99,101.