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.