Imię i nazwisko autora:

Aleksandra Fijałkowska

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Oddziaływanie promieniowania gamma z materią

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony

Podstawa programowa:

Cele kształcenia – wymagania ogólne
II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych.

Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych postaciach.
XII. Elementy fizyki relatywistycznej i fizyka jądrowa. Uczeń:
10) posługuje się pojęciem jądra stabilnego i niestabilnego; opisuje powstawanie promieniowania gamma.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:

• kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji,

• kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,

• kompetencje cyfrowe,

• kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. określa, jakie są typy oddziaływań promieniowania gamma z materią,

2. rozpoznaje, charakterystyczne elementy widma powstałego w detektorze promieniowania gamma,

3. oblicza położenie krawędzi comptonowskiej dla przykładowego widma.

Strategie nauczania:

IBSE

Metody nauczania:

wykład informacyjny, analiza pomysłów

Formy zajęć:

praca zespołowa

Środki dydaktyczne:

tablica, komputer z rzutnikiem lub tablety

Materiały pomocnicze:

-

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Nauczyciel omawia z uczniami typy oddziaływania promieniowania gamma z materią zgodnie z częścią tekstową materiału.

Faza realizacyjna:

Nauczyciel omawia pomiar polegający na tym, że w pobliżu detektora promieniowania gamma umieszczono radioaktywne źródło emitujące promieniowanie o energii 0,5 MeV i 5 MeV. Nauczyciel wyświetla lub rozdaje uczniom wydruki zmierzonego widma:

R1FFqWMPwBEhU

R7JhwHWRt1K1x

Zadaniem uczniów jest, w oparciu o informacje uzyskane w fazie wprowadzającej, określenie, jakie procesy odpowiadają za powstanie zaznaczonych części widma. Warto zwrócić uwagę uczniów, że wszystkie procesy oddziaływania promieniowania gamma z materią polegają na tym, że energia fotonu jest przekazywana elektronom. Detektory promieniowania gamma tak naprawdę mierzą energię kinetyczną owych elektronów.
Dla energii 500 keV należy zwrócić uwagę na pik pełnej absorpcji (punkt 3), czyli na zbiór zliczeń, w których CAŁA energia fotonu została zdeponowana w detektorze. Dzieje się tak, gdy foton ulega zjawisku fotoelektrycznemu wewnętrznemu. Punkt 1 prezentuje ciągły obszar energii zmierzonej w detektorze, a więc odpowiada mu proces rozproszenia comptonowskiego. Warto zwrócić uwagę, że obszar ten rozciąga się od energii 0 do tzw. krawędzi comptonowskiej, zaznaczonej liczbą 2. Krawędź comptonowska reprezentuje maksymalną energię, jaką może uzyskać elektron w wyniku rozproszenia promieniowania gamma. Nauczyciel pyta uczniów, czy w tym przypadku możliwe jest zajścia kreacji pary elektron‑pozyton i dlaczego.
Dla energii kwantu gamma równej 5 MeV najlepiej zacząć od piku pełnej absorpcji, tak aby uzyskać punkt wspólny z pierwszym widmem (punkt 1). Pik o energii równej energii promieniowania gamma‑511 keV (punkt 2) powstaje wtedy, gdy nastąpi kreacja pary elektron‑pozyton. Powstałe cząstki mają energię kinetyczną równą energii fotonu pomniejszonej o energię potrzebną do wygenerowania pary, czyli o 1022 keV. Powstały pozyton, po zatrzymaniu, ulega anihilacji z elektronem materii detektora, w wyniku czego powstają DWA kwanty γgamma o energii równej 511 keV. Jeśli jeden z dwóch powstałych kwantów γgamma ulegnie efektowi fotoelektrycznemu otrzymamy pik o energii EIndeks dolny γgamma Indeks dolny koniec_γgamma -1022 keV + 511 keV, czyli łącznie EIndeks dolny γgamma Indeks dolny koniec_γgamma -511 keV.
Pik o energii równej energii kwantu gamma - 1022 keV (punkt 3) powstaje w analogiczny sposób, przy czym w tym przypadku OBYDWA kwanty gamma powstałe po anihilacji pozytonu opuszczają detektor.
W tym miejscu można też wrócić do punktu 1, czyli piku pełnej absorpcji. Zliczenia w tym obszarze powstają nie tylko wskutek efekt fotoelektrycznego, ale także po kreacji pary elektron‑pozyton. Przy czym tym razem żaden kwant promieniowania gamma powstały w anihilacji pozytonu nie opuszcza detektora.
Nauczyciel pyta uczniów o mechanizm powstania obszarów zaznaczonych na czerwono w widmie drugim. Jako wskazówkę można uczniów naprowadzić na to, że obszary te są podobne kształtem do obszaru wynikającego z rozproszenia Comptona w widmie pierwszym. Uczniowie mają wymyślić, że są to obszary powstałe po kreacji pary elektron‑pozyton, anihilacji pozytonu i rozproszeniu comptonowskim jednego z powstałych kwantów gamma.

Faza podsumowująca:

Uczniowie obliczają położenie krawędzi comptonowskiej z widma pierwszego, w oparciu o wzór na energię promieniowania gamma po rozproszeniu (EIndeks dolny γgamma Indeks dolny koniec_γgamma')

gdzie EIndeks dolny γgamma Indeks dolny koniec_γgamma jest początkową energią fotonu, mIndeks dolny e_e masą elektronu, wynoszącą 511 $\frac{keV}{c^2}$, zaś θtheta kątem rozproszenia, oblicz najmniejszą i największą energię kinetyczną wyemitowanych elektronów.
Nauczyciel ocenia pracę uczniów i ich zrozumienie tematu.

Praca domowa:

W ramach powtórzenia i utrwalenia wiadomości uczniowie rozwiązują zadania 6 i 7 z zestawu ćwiczeń.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium

Multimedium do wykorzystania w trakcie lub po lekcji w celu utrwalenia materiału.