Imię i nazwisko autora:

Tomasz Cap

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Zasada zachowania ładunku elektrycznego i całkowitej liczby nukleonów w reakcjach jądrowych

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony

Podstawa programowa:

Cele kształcenia – wymagania ogólne
I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.
II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych.

Zakres podstawowy
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
2) posługuje się materiałami pomocniczymi, w tym tablicami fizycznymi i chemicznymi oraz kartą wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych;
6) tworzy teksty, tabele, diagramy lub wykresy, rysunki schematyczne lub blokowe dla zilustrowania zjawisk bądź problemu; właściwie skaluje, oznacza i dobiera zakresy osi;
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.
XI. Fizyka jądrowa. Uczeń:
2) zapisuje reakcje jądrowe stosując zasadę zachowania liczby nukleonów i zasadę zachowania ładunku.

Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
2) posługuje się materiałami pomocniczymi, w tym tablicami fizycznymi i chemicznymi oraz kartą wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych;
6) tworzy teksty, tabele, diagramy lub wykresy, rysunki schematyczne lub blokowe dla zilustrowania zjawisk bądź problemu; właściwie skaluje, oznacza i dobiera zakresy osi;
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:
6) zapisuje reakcje jądrowe stosując zasadę zachowania liczby nukleonów i zasadę zachowania ładunku.

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. zapisuje schemat reakcji jądrowej dwoma sposobami;

2. stosuje zasadę zachowania ładunku i zasadę zachowania liczby nukleonów do opisu reakcji jądrowych;

3. wskazuje jakie kombinacje jąder pocisku i tarczy mogą prowadzić do powstania danego jądra w wyniku reakcji kompletnej fuzji;

4. stosuje zasadę zachowania ładunku i zasadę zachowania liczby nukleonów do opisu przemiany alfa.

Strategie nauczania:

nauczanie problemowe

Metody nauczania:

wykład informacyjny, rozwiązywanie zadań rachunkowych

Formy zajęć:

praca indywidualna, praca w parach

Środki dydaktyczne:

rzutnik lub ekran do wyświetlania multimedium

Materiały pomocnicze:

-

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Nauczyciel przypomina uczniom definicję reakcji jądrowej. Następnie, na przykładzie reakcji ${\displaystyle {}_{13}^{27}Al+\alpha {\to }_{15}^{30}P+n}$, przeprowadzonej przez Fryderyka i Irenę Joliot‑Curie, wprowadza terminy używane do opisu reakcji jądrowych, takie jak kanały wejściowy i wyjściowy, substraty, produkty, lekkie cząstki naładowane itd. Nauczyciel rozwiązuje razem z uczniami zadanie 5 z zestawu ćwiczeń i omawia różne sposoby zapisu tej samej reakcji jądrowej. Następnie aktywizuje uczniów, pytając, czy z przedstawionych sposobów zapisu omawianego procesu można wywnioskować, jakie wielkości są zachowane w reakcjach jądrowych. Uczniowie powinni dojść do wniosków, że sumaryczna liczba atomowa oraz sumaryczna liczba masowa substratów są takie same jak sumaryczna liczba atomowa, oraz sumaryczna liczba masowa produktów reakcji. Nauczyciel podsumowuje zadanie oraz rozważania uczniów i mówi, że w reakcjach jądrowych spełnione są zasady zachowania energii, pędu, momentu pędu, ładunku i liczby nukleonów. Następnie zapisuje omówione zasady symbolicznie i wyjaśnia, jak przy ich wykorzystaniu określić wielkości charakteryzujące produkty reakcji.

Faza realizacyjna:

Nauczyciel wprowadza pojęcia reakcji dwuciałowej i wielociałowej i pokazuje na przykładzie zadania 3 z zestawu ćwiczeń, jak - korzystając z zasad zachowania - określić liczby atomową i masową jądra końcowego. Nauczyciel podaje kilka wybranych przez siebie jąder początkowych i końcowych oraz wybrane cząstki, takie jak neutron, kwant gamma, proton itd., a następnie prosi uczniów, aby w parach napisali przykładowe schematy reakcji z udziałem podanych obiektów (np. ${\displaystyle {}_8^{16}O{+}_2^4\alpha {\to }_9^{19}F{+}_1^{1}p}$). Na koniec nauczyciel pokazuje schemat wybranej przez siebie reakcji wielociałowej.
Nauczyciel wprowadza pojęcie reakcji kompletnej fuzji, zapisuje ogólny schemat takiej reakcji i pokazuje na wybranym przykładzie, jak - stosując zasadę zachowania ładunku i liczby nukleonów - określić, jakie jądro złożone powstanie w takim procesie.
Uczniowie rozwiązują zadanie 2 z zestawu ćwiczeń, a następnie zadanie 6 z zestawu ćwiczeń dotyczące syntezy izotopów 102. pierwiastka. Nauczyciel komentuje wyniki, zwracając uwagę, że powstałe jądra złożone są wzbudzone i mogą pozbywać się nadmiaru energii na różne sposoby, np. emitując neutrony i kwanty gamma. Nauczyciel pokazuje następnie, jak zmienia się liczba masowa wybranego izotopu 102. pierwiastka w wyniku emisji jednego, dwóch lub trzech neutronów, zwracając dodatkowo uwagę na związek pomiędzy energią wzbudzenia i energią dostępną w zderzeniu.

Faza podsumowująca:

Nauczyciel zwraca uwagę uczniów na to, że zasada zachowania ładunku i liczby nukleonów obowiązuje również w przemianach promieniotwórczych. Nauczyciel opisuje krótko przemianę alfa i zapisuje jej schemat, podkreślając, w jaki sposób zmieniają się liczby atomowa i masowa jądra ulegającego przemianie.
Następnie uczniowie rozwiązują zadanie 7 z zestawu ćwiczeń dotyczące przemian promieniotwórczych jądra uranu. Na koniec nauczyciel omawia otrzymane wyniki i zwraca uwagę uczniów, że procesy z zadania 7 są częścią uranowo‑radowego szeregu promieniotwórczego, który można prześledzić, korzystając z omawianych na zajęciach praw zachowania.

Praca domowa:

Zadanie 1 i 4 z zestawu ćwiczeń.
Dla chętnych dodatkowo zadanie 8 z zestawu ćwiczeń.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium

Multimedium może być wykorzystane przez uczniów przed lekcją, przy strategii odwróconej klasy oraz na lekcji w fazie podsumowującej.