Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://prac-gw.sinp.msu.ru/festival/nuclear%20literacy%202015.doc Дата изменения: Wed Jun 24 21:25:56 2015 Дата индексирования: Sat Apr 9 22:44:36 2016 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: беккерель

[pic]
Задания по ядерной физике для развития естественнонаучной грамотности
школьников // Проблемы создания учебно-методических комплектов по физике:
общеобразовательные учреждения, педагогические вузы: доклады научно-
практической конференции - М.: ИИУ МГОУ, 2015. сс. 85-93

Задания по ядерной физике для развития естественнонаучной грамотности
школьников
Зверева И.М., НИИЯФ МГУ
Согласно исследованию PISA 2012 года по естественнонаучной грамотности
15-летние российские школьники делят 34-38 место. Эксперты Центра оценки
качества образования диагностируют недочеты сформированности ряда важных
умений наших учащихся, таких как: анализ процессов проведения исследований;
составление прогнозов на основе имеющихся данных; выявление и интерпретация
научных фактов и данных исследований; анализ графической информации;
проведение оценочных расчетов и прикидок[1].
Можно значительно расширить банк заданий, формирующих эти умения,
используя задачи с описаниями исторических и современных экспериментов и
гипотез. Далее рассмотрены варианты таких задач.
Закрытое открытие В мае 2002 года экспериментаторы, работающие на
французском ионном ускорителе GANIL с английским мультидетектором Charissa
и франко-бельгийским нейтронным детектором DEMON (по перечисленным
названиям ясно, что детекторы ОЧЕНЬ серьезные) сообщили об обнаружении
новой частицы. Они утверждали, что шесть раз зарегистрировали ядерную
реакцию:
[pic]
Что за частица Х была ими получена? В какую клеточку добавлять в
таблицу Менделеева новый элемент?
Красивая мечта обнаружить тетранейтрон [2] (ядро из четырех нейтронов)
сыграла с французскими учеными злую шутку. Поскольку повторить их
результаты в других лабораториях не удалось, был сделан вывод, что они
неправильно интерпретировали полученные данные. «Торопыжкам» порисовать в
таблице Менделеева надо напомнить, что повторяемость и воспроизводимость
результатов - важная основа научности физического эксперимента.
Международное сотрудничество и наличие первоклассной аппаратуры не
гарантирует безошибочности выводов из проведенного эксперимента.
Кластерная радиоактивность. Не думайте, что все типы радиоактивности
открыты давно. В 1984 году экспериментаторы из Оксфорда доказали, что при
распаде ядер изотопа радия [pic] на миллиард альфа-частиц примерно в одном
случае вылетает ядро изотопа [pic]. Доказать это было нелегко. Эксперимент
длился 194 дня, зарегистрировано было 8 событий вылета ядер углерода. Этот
тип радиоактивности назвали кластерной радиоактивностью. Оцените, во
сколько раз будут отличаться радиусы траекторий ядер гелия и ядер углерода-
14 в магнитном поле, перпендикулярном направлению их скорости. Учтите, что
энергии у вылетающих из [pic] ядер гелия и углерода различны, т.к. в
результате распада образуются разные дочерние ядра. У вылетающих альфа-
частиц энергия примерно 6 МэВ, у ядер углерода 32 МэВ.
Какой метод надежнее отличит альфа-частицы от ядер углерода-14: метод
траектории в магнитном поле или метод определения ионизационных потерь?
Ионизационные потери пропорциональны квадрату заряда вылетающего ядра.
Анализ зависимости радиуса траектории вылетающего ядра от кинетической
энергии, массы и заряда показывает: [pic], в то время как ионизационные
потери отличаются в 9 раз. В оригинальной работе [3] тип вылетающей частицы
определялся по ионизационным потерям, а не по трекам в магнитном поле.
Учебный ресурс этой задачи не исчерпывается только анализом формул.
Возможна организация многоуровневой задачи по типу предложенных в учебном
пособии Лезиной и Левашова [4].
С меньшей вероятностью возможен вылет и других ядер (других изотопов
углерода, кислорода-20, неона-24.). Какие дочерние ядра образуются в
результате этих распадов?
По графику зависимости удельной энергии связи от массового числа объясните
причину такой большой кинетической энергии ядра углерода-14.
Подготовьте сообщение о кластерной радиоактивности.
Исследование Перевалова А.В. [5] показало, что «.предусматриваемые
образовательным стандартом физические понятия, сформированные при изучении
основ атомной и ядерной физики в 9-х классах («квант», «фотон», «атомное
ядро», «дефект массы», «энергия связи», «радиоактивность», «ионизирующее
излучение» и др.), оказываются в основном невостребованными учащимися в 10-
м классе, вплоть до новой «встречи» с основами атомной и ядерной физики во
втором полугодии в 11-м классе».
Приведенная «задача-кентавр» по двум темам - движение частицы в
магнитном поле и типы излучений может оказаться полезной в 10-ом классе
для повторения короткого курса ядерной физики в 9-ом классе.
Можно предложить комплексную задачу на оценку искомой величины по
темам ядерная физика и термодинамика:
Из воспоминаний Марии Кюри [6, c.61]: «Еще удивительнее было открытие
выделения радием тепла. Без малейшего внешнего изменения это вещество
выделяет каждый час количество тепла достаточное для расплавления льда
равной массы. Если защитить радий от внешних потерь тепла, то он нагревает
себя. Его температура может подняться на 10 градусов и выше в сравнении с
температурой внешней среды. Это был вызов всему существовавшему научному
опыту» Оцените энерговыделение радия. Можно ли по приведенным данным
оценить теплоемкость радия?
Увлекательно «побывать» на самой границе таблицы Менделеева, узнать,
как современные физики ищут новые элементы:
Неуловимый унбибий
1972 год, Дубна. Группой под руководством Георгия Флёрова предпринята
первая попытка синтезировать элемент под временным названием унбибий в
реакции:



Неудача.
1978 год, в институте тяжелых ионов в Германии проводят сходный
эксперимент, бомбардируя мишень из природного эрбия пучком ионов ксенона:
Допишите эту реакцию для самого распространенного изотопа эрбия.
Перечислите, какие массовые числа у унбибия могли бы быть в этой реакции.
Вот только обнаружить этих реакций не удалось.
2000 год, немцы пробуют другую реакцию:



Нет ядер унбибия.
2000-2004 годы, Дубна. Исследуются реакции:
В продуктах этих реакций были обнаружены ядра [pic]. Как Вы объясните
появлений этих ядер? (деление образующихся ядер)
И тут группа учёных из университета Иерусалима объявила об обнаружении
единичных атомов унибибия-292 в залежах природного тория! Его период
полураспада по их оценкам составляет не менее 100 млн лет. Но через год
появились опровержения этого «открытия» другими учеными. Как Вы думаете,
как они опровергли это «открытие»?
Эта почти детективная история поиска нового элемента (унбибий - один-
два-два, 122 элемент) пока не имеет счастливого конца. Но она дает
возможность школьнику проанализировать табличные данные, повторить понятие
«изотоп», дополнить недописанные ядерные реакции, посочувствовать
торопливым физикам (доверяй, но проверяй).
Нам представляется, что актуально и поучительно использовать в
качестве задач разбор некоторых современных квазинаучных гипотез и
экспериментов. Они способствуют развитию парадоксальности мышления учащихся
[7], т.к. фантазия современных Остапов Бендеров порою выходит за грань
фантастики.
Задача «курица и яйцо» Борис Болотов (скромно названный в [8] Прометеем ХХ
века) заметил, что курица клюет песок (кремний), а яйца несет со скорлупой
из кальция. Он сделал вывод, что в организме курицы кремний превращается.
Он проверил свою гипотезу - поставил следующий эксперимент: не давал курице
кальций, а давал песок. Она все равно несла яйца со скорлупой из кальция.
Запишите ядерную реакцию в организме курицы по Болотову. Является ли
гипотеза Болотова доказанным фактом?
Иногда и без подсказки («за каждого ребенка мама теряет зуб») ребята
справляются с происхождением кальция для скорлупы яиц курицы из
«эксперимента» Болотова. Они обсуждают недочеты в постановке его опыта
(надо измерить, сколько кальция потеряла сама курица; нельзя делать выводы
по единичному эксперименту). На самой ядерной реакции полезно задержаться.
Какие силы действуют между ядрами кремния и углерода? Может ли данная
реакция происходить в недрах звезд? (да)
Подобная «пленительная бредовость» [цит. Дугин, 9] характерна для
современных мечтателей, многие из которых искренне хотят подарить
человечеству новый неиссякаемый источник энергии. В отличие от итальянца
Росси, который хочет продать свой генератор. По его утверждению тепло в нем
вырабатывается в результате реакции водорода с никелем. Он предоставил на
анализ образцы порошка никеля до использования и отработанного (11% меди).
Анализ их изотопного состава очень поучителен. Австралийский бизнесмен
предложил Росси повторить испытание генератора за 1 млн. с установкой
аппаратуры на кабель заземления, но Росси не согласился [10]. Генератор
Росси - увлекательная тема для проектной работы учащихся.
Одной из компонент естественнонаучной грамотности в наш атомный век
является радиационная грамотность, характеризующаяся тесной
междисциплинарной связью с биологией, безопасностью жизнедеятельности и
экологией.
В учебнике ОБЖ 8-го класса (под ред. Воробьева) [11] целая глава
посвящена явлению радиоактивности, видам ионизирующего излучения, мощности
дозы, естественной радиоактивности, анализу радиационных аварий. Совместно
проведенный в 2014 году в качестве проектной работы для конкурса МИФИ
«Энергия будущих поколений» педагогический эксперимент Р. Хаджимагомадова
показал, что 9-классники в начале третьей четверти помнят фактически только
знак радиационной опасности. Причина - полное отсутствие задач по теме
«типы излучений» в учебнике ОБЖ. Рекомендуем ряд простых качественных
задач, часть из которых вполне может выполняться 8-классниками при изучении
радиоактивности в курсе ОБЖ.
"Я люблю радий, но я на него в обиде" Антуан Анри Беккерель, проносив 6
часов в кармане жилета пробирку с солью радия, ощутил сильное жжение. Кожа
покраснела, позже там образовалась язва. Рассказывая об этом супругам Кюри,
Беккерель воскликнул: "Я люблю радий, но я на него в обиде".[6, с.61]
[pic]
Заполните цепочку радиоактивных превращений радия-226. Какой тип излучения,
по Вашему мнению, стал причиной радиодерматита Беккереля? Можно ли писать
его фамилию с маленькой буквы?
Это хороший случай вспомнить поговорку «каждый физик мечтает, чтобы его
фамилию писали с маленькой буквы» и повторить единицу измерения активности
в СИ.
Возможны тестовые варианты заданий с историческим содержанием.
Сосновые чурбаки. Ленинград, Радиевый институт. Циклотрон был заложен в
1932 году, пучок дал в 1937 (были проблемы с вакуумом). Пучок ионов выбивал
нейтроны из мишени. Нейтроны использовались для исследований. При одном
испытательном запуске руководитель Игорь Курчатов потерял сознание, и было
принято решение усилить защиту. Курчатов предложил экран из поленьев,
которые сотрудники приносили со двора. К концу дня лаборатория напоминала
дровяной склад из отсыревших сосновых чурбаков. Курчатов сказал:
- Отныне станем управлять циклотроном только из-за поленницы! Дрова будем
ежедневно.
1) сжигать 2) поливать 3) рубить 4) перекладывать
Баран 1951 год, проводилось рядовое испытание железобетонных камер для
защиты от радиации во время ядерного взрыва. На разных расстояниях (250,
500 и 750 м) в них помещались животные, после ядерного взрыва военные
приезжали, забирали и отвозили бедолаг медикам. В камере на 250 м от взрыва
барану повредило заднюю ногу деревянным брусом, но, когда его стали
вытягивать из железобетонного кубика, он вырвался из рук солдат, и бросился
на трех ногах к . эпицентру. Все бросились его догонять (защитный костюм
состоял из комбинезона, резиновых сапог и перчаток, противогаза или
респиратора). Вспоминает военный инженер Вьюков: «Ну, этот дурак
нахватается!» - подумал я о баране.
Какой тип излучения догонявшие люди получали в такой же мере, как и баран?
1) альфа 2) бета 3) гамма 4) нейтроны
Военные, которые забирали животных, были в прорезиновых костюмах,
ткань которых не пропускала альфа-излучение и значительно ослабляла бета-
излучение. Гамма-излучение военные получали в той же мере, что и баран. До
эпицентра упрямому барану не дала добежать расщелина в грунте. Воспоминания
Вьюков записал 40 лет спустя [12].
Разнообразие типов задач и методов их решения, злободневность их
содержания развивают навыки самостоятельного мышления учащихся,
способствуют актуализации их знаний.
Литература:
1. Центр оценки качества образования, Основные результаты международного
исследования PISA-2012, http://www.centeroko.ru/download/PR_PISA2012.zip
2. Marques F. M. et al. Detection of neutron clusters // Physical Review C,
2002, v.65, ?4, 044006, р.1-10
3. Rose, H. J. and Jones, G. A. (1984-01-19). A new kind of natural
radioactivity Nature, 307, (5948), 1984г., p. 245-247.
4. Лезина Н.В., Левашов А.М. Физика: Многоуровневые задачи с ответами и
решениями. - М.: Гуманит. изд. центр Владос, 2003. - 176 с. - (Б-ка учителя
физики).
5. Перевалов, А.В. Формирование экологической культуры учащихся при
изучении основ атомной и ядерной физики в средней школе 13.00.02 - теория и
методика обучения и воспитания (физика) автореферат дис. ... канд. пед.
н., Волгоград, 2010
6. М. Кюри Пьер Кюри //Пьер и Мария Кюри ЖЗЛ - М.: Изд-во ЦК ВЛКСМ «МОЛОДАЯ
ГВАРДИЯ», 1959. - 426 с.
7. Кондратьев А.С. Физические задачи как средство развития парадоксального
характера мышления / А. С. Кондратьев, Е. В. Ситнова // Сибирский
педагогический журнал. - 2009. - N 2. - с. 202-208
8. Борис Болотов Несколько слов о себе
http://www.beztabletok.ru/images/stories/beztabletok/bolotov/about.htm
9. Дугин А.Г. Конспирология. Наука о заговорах, секретных обществах и
тайной войне М., Арктогея, 2005, с. 321
10. Update-Inventor Rejects Dick Smith Million Dollar Offer //
Investigating pseudo-science and the paranormal from a responsible
scientific view point http://www.skeptics.com.au/latest/news/update-
inventor-rejects-dick-smith-million-dollar-offer/
11.Основы безопасности жизнедеятельности : 8-й кл. : учеб. для
общеобразоват. учреждений / М.П. Фролов, Е.Н. Литвинов, А.Т. Смирнов и др.;
под ред. Ю.Л. Воробьева. - 2-е изд., испр. и доп. М.: АСТ: Астрель, 2008. -
190 с.
12. Вьюков, А.Н. На грани особого риска / А.Н. Вьюков // Курчатовский
институт История атомного проекта вып. 4 М.: 1995, с. 73-130

Зверева Ирена Михайловна, ведущий программист ЛОСП НИИЯФ МГУ
pirks_1@mail.ru
-----------------------





[pic]

[pic]

[pic]



[pic]

[pic]