Часть дипломной работы на тему Изучение ядерных явлений в основной школе

Содержание:

Глава 1. Научный, психолого-педагогический и методический анализ изучения ядерных явлений в основной школе 2

1.1 Трактовка основных понятий темы 2

1.2 Психолого-педагогические подходы к изучению ядерной физике в основной школе 10

1.3 Анализ учебно-методических комплектов по физике на примере темы 19

Выводы по первой главе 25

Список литературы 26

Фрагмент текста работы:

Глава 1. Научный, психолого-педагогический и методический анализ изучения ядерных явлений в основной школе

1.1 Трактовка основных понятий темы

Более 99% массы видимой материи во Вселенной составляет ядерная материя. Протоны и нейтроны являются строительными блоками атомных ядер. Экзотические формы ядерной материи присутствовали в ранней Вселенной и продолжают существовать сегодня в нейтронных звездах. Процессы ядерного синтеза в ядре нашего Солнца являются источником огромного потока энергии, поддерживающего жизнь на Земле. Ядерный синтез в звездах и ядерные процессы в конце звездной жизни сформировали богатый спектр элементов, которые мы наблюдаем в природе [7].

Ядерная физика – раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения (ядерные реакции). Состоит из ряда тем, включая структуру ядра, ядерные силы, ядерные реакции, радиоактивный распад ядер, модели ядер. Данный раздел направлен на понимание фундаментальных ядерных сил в природе, их симметрии и возникающих в результате сложных взаимодействий между протонами и нейтронами в ядрах и между кварками внутри адронов, включая протон [1].

Экспериментальная ядерная физика стимулирует инновации в научных приборах и оказывает далеко идущее влияние на исследования в других областях науки и техники. От медицины – рентгеновской и магнитно-резонансной томографии, лучевой терапии для лечения рака – до материаловедения – рентгеновской литографии и рассеяния нейтронов – до двигателей и производства энергии – физики-ядерщики изменили сегодняшний мир. Сегодняшние исследования в области ядерной физики не только решают фундаментальные вопросы о материи и энергии, но и позволяют использовать множество новых технологий в материаловедении, биологии, химии, медицине и национальной безопасности [7].

История ядерной физики как дисциплины, отличной от атомной физики, начинается с открытия радиоактивности Анри Беккерелем в 1896 году, сделанным при исследовании фосфоресценции в солях урана. Открытие электрона Дж. Дж. Томсоном годом позже было указанием на то, что атом имеет внутреннюю структуру. В начале 20-го века общепринятой моделью атома была модель Дж. Дж. Томсона, в которой атом представлял собой положительно заряженный шар с меньшими отрицательно заряженными электронами, встроенными внутрь него.

В последующие годы радиоактивность широко исследовалась, в частности, Марией Кюри, Пьером Кюри, Эрнестом Резерфордом и другими. На рубеже веков физики также открыли три типа излучения, исходящего от атомов, которые они назвали альфа-, бета- и гамма- излучением [11].

Существует три основных типов ионизирующего излучения излучается – это альфа-, бета- и гамма-излучение. Альфа-излучение – представляет собой поток альфа-частиц (ядер атомов гелия). Относятся к сильно ионизирующим частицам, быстро теряющим свою энергию при взаимодействии с атомами вещества. По этой причине альфа-излучение имеет маленькую проникающую способность (путь в веществе) и не способно проникнуть даже через слой обычной бумаги или кожу человека. Альфа-частицы опасны лишь при внутреннем облучении органов и тканей [7].

Бета-излучение – представляет собой поток электронов. Из-за более низкой, чем у альфа-частиц, ионизирующей способности могут преодолеть большее расстояние в веществе (2-3 см. в биологической ткани).

Гамма-излучение не состоит из частиц как альфа- и бета-излучения. Оно, так же как и свет Солнца, представляет собой электромагнитную волну, распространяющуюся со скоростью света. Ионизирующая способность гамма-излучения низка. Проникающая способность – самая большая (в биологических тканях гамма-кванты не задерживаются) [1].

Альфа-частицы заряжены положительно, бета-частицы заряжены отрицательно, а гамма-излучение электрически нейтральны.

Явление радиоактивности, т. е. самопроизвольное излучение веществом α-, β- и γ-частиц, наряду с другими экспериментальными фактами, послужило основанием для предположения о том, что атомы вещества имеют сложный состав. Поскольку было известно, что атом в целом нейтрален, это явление позволило сделать предположение, что в состав атома входят отрицательно и положительно заряженные частицы [22].

Эксперименты Отто Гана в 1911 году и Джеймса Чедвика в 1914 году обнаружили, что спектр бета-распада был непрерывным, а не дискретным. То есть электроны были выброшены из атома с непрерывным диапазоном энергий, а не с дискретными количествами энергии, которые наблюдались при гамма- и альфа- распадах. В то время это было проблемой для ядерной физики, потому что это указывало на то, что энергия не сохраняется в этих распадах [16].

Открытие Томсоном электрона полностью изменило взгляд людей на атомы. Вплоть до конца 19 века атомы считались крошечными твердыми сферами. В 1903 году Томсон предложил модель атома, состоящую из положительных и отрицательных зарядов, присутствующих в равных количествах, так что атом будет электрически нейтрален. Он предположил, что атом представляет собой сферу, но внутри него заключены положительные и отрицательные заряды [19].

Модель строения атома, предложенная Томсоном, нуждалась в экспериментальной проверке. В частности, важно было проверить, действительно ли положительный заряд распределён по всему объёму атома с постоянной плотностью. Поэтому в 1911 г. Резерфорд совместно со своими сотрудниками провёл ряд опытов по исследованию состава и строения атомов [20].

После того как в 1911 г. Резерфордом была предложена ядерная модель атома, стало очевидным, что именно ядро претерпевает изменения при радиоактивных превращениях. Опыты с различными радиоактивными препаратами показали, что не только при α-распаде, но и при β-распаде происходит превращение одного химического элемента в другой [22].

Альфа-распад – это процесс ядерного распада, при котором нестабильное ядро превращается в другой элемент, выбрасывая частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов [7]. Общее уравнение, представляющее альфа-распад, имеет вид:

(_Z^A)X→(_Z-2^(A-4))Y+(_2^4)He

В данном уравнении: (_Z^A)X является родительским ядром, стартовым ядром; А – это общее количество нуклонов (количество нейтронов плюс количество протонов); Z – это общее число протонов; (_Z-2^(A-4))Y– это дочернее ядро, конечное ядро; (_2^4)He – это выпущенная альфа-частица [23].

Число, стоящее перед буквенным обозначением ядра сверху, называется массовым числом, а снизу – зарядовым числом (или атомным номером).

Массовое число ядра атома данного химического элемента с точностью до целых чисел равно числу атомных единиц массы, содержащихся в массе этого ядра. Зарядовое число ядра атома данного химического элемента равно числу элементарных электрических зарядов, содержащихся в заряде этого ядра [28].

Оба эти числа – массовое и зарядовое – всегда целые и положительные. Они не имеют размерности (т. е. единиц измерения), поскольку указывают, во сколько раз масса и заряд ядра больше единичных [7].

Закон сохранения заряда гласит, что суммарный заряд изолированной системы всегда будет оставаться постоянным. Это означает, что любая система, которая не обменивается массой или энергией со своим окружением, никогда не будет иметь разный общий заряд в любые два момента времени.

Из открытия, сделанного Э. Резерфордом и Ф. Содди, следовало, что ядра атомов имеют сложный состав, т. е. состоят из каких-то частиц. Кроме того, стало ясно, что радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц [20].