Получение ииспользования радиоактивныхизотопов. Ядерный реактор.


Основным средством получения радиоактивных изотопов являются ядерные реакции. Ядерными реакциями называют превращения атомных ядер, вызванные взаимодействием их друг с другом или с элементарными частицами. Ядерные реакции протекают обычно в два этапа. На первом этапе частица-снаряд проникает в ядро-мишень, в результате чего образуется составное ядро, находящееся в возбужденном состоянии. На втором этапе промежуточное ядро переходит в менее возбужденное состояние и испускает при этом некоторую другую частицу. Продукты ядерных реакций часто радиоактивных[5].

Использованию радиоактивных изотопов посвящают обычно один урок. Его лучше провести в виде конференции, к которой отдельные школьники по заданию учителя готовят небольшие сообщения.

План этой конференции может быть различным для сельских и городских школ.

В сельской школе целесообразно прослушать доклады на следующие темы:

1) Предпосевная радиоактивная обработка семян и ее влияние на урожайность.

2) Радиоактивная обработка овощей как средство удлинения сроков их хранения.

3) Использование γ-облучения в селекционной работе.

4) Использование радиоактивных препаратов для борьбы с вредными насекомыми и болезнями растений[6].

В городских школах можно предложить следующие темы докладов:

1) Использование радиоактивных препаратов в качестве индикаторов протекания технологических процессов (метод «меченых атомов»).

2) Гамма-дефектоскопия.

3) Радиоактивные измерительные приборы (уровнемеры, плотномеры, толщиномеры и т. д.).

4) Радиационно-химическая обработка материалов с целью придания им заданных свойств и создания новых материалов (древесной пластмассы, прочных защитных покрытий, изоляционных пленок и т. д.)[6].

Докладчиков консультируют и рекомендуют им литературу. Можно использовать публикации из раздела «Новости науки и техники» журнала «Физика в школе»[7]. Каждый из докладчиков должен проиллюстрировать свое сообщение хотя бы одним подробно рассмотренным примером (с использованием поясняющего рисунка, схемы и т. д.). В качестве иллюстративного материала можно использовать отдельные кадры презинтации «Этот мирный добрый атом» и кинофрагмент «Применение радиоактивных изотопов».

В подготовке конференции принимают участие все учащиеся класса. Поэтому целесообразно дать общее задание классу: о каких новых применениях радиоактивных препаратов вы читали в последнее время в периодической печати? Как радиоактивные препараты используют в медицине?

Результат проведения этой конференции — убеждение учащихся в широком использовании радиоактивных изотопов, понимании перспективности этих методов и принципов действия радиоактивных приборов и сущности технологических процессов, ведущихся с использованием радиоактивных материалов.

Ядерный реактор (физические основы ядерной энергетики)[8]. Для понимания физических основ ядерной энергетики учащиеся должны усвоить, что:



1) реакция деления тяжелых ядер энергетически выгодна, так как удельная энергия связи для них примерно на 1 МэВ меньше удельной энергии связи элементов, находящихся в середине периодической системы. Поэтому наблюдается самопроизвольное (спонтанное) деление ядер урана, но вероятность его мала;

2) при попадании в ядро урана теплового нейтрона процесс деления становится более вероятным;

3) механизм деления ядра может быть понят на основе капельной модели ядра;

4) при делении ядер урана выделяется колоссальная энергия: 1 МэВ на каждый нуклон или ≈200 МэВ на каждый атом урана, а при полном делении ядер 1 г урана 2,3*104 кВт*ч (8,3*1010 Дж);

5) при делении ядер урана, кроме ядер-осколков, образуются два-три нейтрона; это приводит к тому, что реакция становится цепной;

6) увеличение массы урана (или другого ядерного горючего) до размеров критической массы приводит к взрыву;

7) труднее осуществить управляемую цепную реакцию. Для этого требуется замедлить нейтроны, появляющиеся в процессе реакции; обеспечить защиту обслуживающего персонала от мощного излучения, источником которого является урановая среда; разработать систему охлаждения, научиться управлять ходом реакции и решить ряд других важных проблем.

Устройство, в котором поддерживается управляемая цепная реакция, называют ядерным или атомным реактором. Схему устройства двухконтурного ядерного реактора учащиеся должны знать.

Ядерный реактор — составная часть атомных электростанций. При объяснении устройства и работы атомных электростанций используют настенную таблицу «Атомная электростанция». При рассказе подчеркивают, что АЭС обладают следующими преимуществами: они «сжигают» мало горючего и имеют большую мощность (до 1—2 МВт на один реактор). КПД их, как и любых тепловых станций, сравнительно невысок (не превышает 40%).

В заключение рассказывают учащимся о перспективах ядерной энергетики, о мощности построенных и строящихся АЭС, о реакторах на быстрых нейтронах, о термоядерных реакторах, о последовательной борьбе Советского правительства за запрещение ядерного оружия.

 

Элементарные частицы.

В процессе изучения курса физики, особенно последнего его раздела, учащихся знакомили со многими элементарными частицами: фотоном, электроном, протоном, нейтроном, нейтрино и др. На данном этапе обучения задача состоит, прежде всего, в том, чтобы повторить и обобщить свойства уже изученных элементарных частиц. Обобщение можно провести по трем их свойствам: массе, электрическому заряду и среднему времени жизни, так как другие характеристики элементарных частиц (спин, магнитный момент) в средней школе не изучают.

При обобщении выделяют три группы частиц.

К первой группе относят фотон — стабильную частицу, не имеющую ни массы покоя, ни электрического заряда. Фотон — квант электромагнитного взаимодействия. Вторую группу составляют легкие частицы — электрон и нейтрино (для электрона указывают значение массы и заряда; масса нейтрино, по последним научным данным, отлична от нуля, но численное ее значение точно не установлено), а третью группу — тяжелые частицы: протон и нейтрон. Все эти частицы стабильны (или квазистабильны), как нейтрон, время жизни которого составляет (898±16) с — величина огромная для области микромира. Они являются тем «материалом», из которого построены атомы вещества, либо осуществляют взаимодействие между заряженными частицами (фотон).

Кроме них, в науке известно большое число (около 400) других элементарных частиц. Их получают в научных лабораториях с помощью очень мощных ускорителей (мощность электронных ускорителей достигает 35 ГэВ, протонных — 500 ГэВ). Учащимся напоминают принцип устройства ускорителя и объясняют, что при соударениях мощных потоков частиц с ядрами «мишени» (или потоков частиц между собой) получают вторичные пучки, содержащие ранее неизвестные атомные ядра и элементарные частицы. Некоторые элементарные частицы обнаружены во вторичном космическом излучении.

Из числа открытых в научных лабораториях частиц интерес для учащихся представляют прежде всего античастицы. Античастицы обладают той же массой, что и соответствующие им частицы, равным, но противоположным по знаку зарядом. Первой открытой античастицей был позитрон — двойник электрона, имеющий то же значение массы, но положительный заряд. Ныне получены в лабораторных условиях антипротон, антинейтроны, а также атомы легких элементов, состоящие из антипротонов, антинейтронов и позитронов (антиводород и др.). Единственная частица, не имеющая своего двойника, - фотон. Все античастицы в пустоте стабильны. Однако взаимодействие античастиц с частицами приводит к их взаимному уничтожению и рождению других частиц. Например, взаимодействие электрона и позитрона приводит к рождению двух (иногда трех) γ-квантов: e- + e+=2γ.

Соответственно взаимно уничтожаются протон и антипротон, нейтрон и антинейтрон, рождая при этом другие частицы. Наша Вселенная состоит из элементарных частиц, античастиц в ней мало. Все остальные элементарные частицы (а их большинство) - крайне нестабильны. Рождаясь в научных лабораториях, они быстро распадаются на стабильные частицы. Среднее время жизни наиболее нестабильных частиц 10-24 с.

Целесообразно ознакомить учащихся с классификацией элементарных частиц. Их делят на три группы. Одни из них, как нуклоны, способны к сильным взаимодействиям. Это пионы, каоны, мезоны, гипероны. Вместе с нуклонами они образуют группу адронов. Вторую труппу составляют частицы, не участвующие в сильном взаимодействии; их шесть: электрон и электронное нейтрино, мюон и мюонное нейтрино, таон и таонное нейтрино. Третья группа частиц — переносчики взаимодействия. Согласно современным научным представлениям, подобно тому, как электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством обмена фотонами, сильное взаимодействие осуществляется посредством обмена глюонами, гравитационное — с помощью гравитонов, а слабое взаимодействие с помощью промежуточных бозонов. Существование глюонов и гравитонов предсказывают теоретически, экспериментально они еще не обнаружены.

Учащимся можно также рассказать о том, что по данным современной науки истинно элементарными являются электрон и частицы его группы. Адроны (частицы первой группы) состоят из более мелких элементарных частиц — кварков. Кварки имеют дробный заряд -1/3 и +2/3 элементарного заряда е0. Имеются шесть видов кварков, различающихся между собой по массе. Существование кварков ныне также предсказывает теория, но экспериментально они не обнаружены.

Одно из существенных свойств элементарных частиц их способность к взаимным превращениям. Об этом свойстве элементарных частиц упоминалось неоднократно. В качестве конкретных примеров превращений частиц достаточно рассмотреть реакции распада протона и нейтрона, реакцию аннигиляции электрона и позитрона.

 









Последнее изменение этой страницы: 2016-04-07; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su не принадлежат авторские права, размещенных материалов. Все права принадлежать их авторам. Обратная связь