Imię i nazwisko autora:

Tomasz Cap

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Emisja promieniowania gamma przy okazji rozpadu promieniotwórczego

Grupa docelowa:

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

Podstawa programowa:

Cele kształcenia – wymagania ogólne

Zakres podstawowy
Treści nauczania – wymagania szczegółowe

Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe

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. opisuje jaki jest mechanizm emisji promieniowania γgamma po rozpadach promieniotwórczych;

2. uzasadnia, że energie poziomów wzbudzonych jąder atomowych są dyskretne;

3. oblicza energię kwantów promieniowania γgamma z poziomów wzbudzonych;

4. analizuje schemat rozpadu βbeta i emisji promieniowania γgamma nietrwałych jąder atomowych.

Strategie nauczania:

IBSE

Metody nauczania:

wykład informacyjny

Formy zajęć:

praca zespołowa

Środki dydaktyczne:

tablety

Materiały pomocnicze:

-

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

W ramach wprowadzenia nauczyciel wypytuje uczniów jakie znają rozpady promieniotwórcze. Obok rozpadu alfa i βbeta może się pojawić rozpad γgamma. Nauczyciel pokrótce omawia czym jest emisja promieniowania γgamma, zwracając uwagę na to, że towarzyszy ona innym przemianom jądrowym, jest niejako konsekwencją innych rozpadów promieniotwórczych.

Faza realizacyjna:

Nauczyciel pokazuje i objaśnia uczniom przykładowy schemat rozpadu βbeta i schemat emisji promieniowania γgamma powstałego jądra atomowego.
Najlepszym źródłem schematów rozpadów promieniotwórczych jest baza stworzone przez NNDC (National Nuclear Data Center), a konkretnie ENSDF (https://www.nndc.bnl.gov/ensdf/). Po wejściu na stronę najlepiej kliknąć w opcję ,,By Decay”, wpisać w pole wyszukiwania ,,Parent” wybrane jądro (np. popularne źródło kalibracyjne Indeks górny 60⁶⁰Co) i kliknąć „Search”. Na kolejnej stronie pojawi się lista wyników spełniających kryteria. Należy zaznaczyć interesujący nas rozpad i kliknąć przycisk opisany jako PDF Version. Na samym dole otrzymanego pliku pdf będzie umieszczona graficzna reprezentacja schematu rozpadu.
Przykładowy schemat, który można omówić na lekcji, izotopu siarki Indeks górny 40⁴⁰S jest następujący:

RNzQdI3uF8wW4

Poziome linie reprezentują poziomu wzbudzone jądra końcowego. Strzałki, liczby znajdujące się najbardziej po lewej stronie, otoczone zieloną ramką oznaczają prawdopodobieństwa (intensywności) przejść beta. Obok intensywności zazwyczaj umieszczone są wartości Log ft (tutaj usunięte), które wyznacza się z intensywności przejść beta oraz energii przejścia. Wartości Log ft są przydane do oceny typu przejścia, co daleko wykracza poza program nauczania. Podobnie ponad program nauczania wykracza informacja o spinie i parzystości poziomu umieszczona nad poziomem i zaznaczona żółtą ramką.
Literą Q oznaczono całkowitą energię przemiany βbeta (pomarańczowa ramka). Czerwoną ramką zaznaczono czas połowicznego zaniku jądra. Warto przypomnieć uczniom, czym jest czas połowicznego zaniku.
Niebieską ramką zaznaczono energie poziomów podane w jednostkach keV.
Strzałki oznaczają emisje promieniowania γgamma. Czerwone strzałki reprezentują przejścia γgammao największej intensywności. W pełnym schemacie rozpadu jest umieszczona legenda wyjaśniająca kolory strzałek.Nad każdą strzałka umieszczone są dwie liczby. Pierwsza liczba to energia kwantu promieniowania γgamma, a druga to prawdopodobieństwo przejścia γgamma na 100 rozpadów (w pliku na stronie ta informacja jest podana).
Nauczyciel zwraca uwagę uczniów na to, że poziomy energetyczne jąder atomowych są dyskretne, czyli posiadają konkretne, nieciągłe wartości. Jest to cecha świata kwantowego. W świecie makroskopowym energie obiektów są ciągłe, czyli mogą przyjmować dowolne wartości z jakiegoś przedziału. Przykładem może być energia kinetyczna podrzuconej do góry piłki. Jądra atomowe, jako obiekty kwantowe mają dyskretne energie, stąd nazwa poziomy energetyczne.
Nauczyciel zachęca uczniów do sprawdzenia, czy energie kwantów promieniowania γgamma równe są różnicy energii poziomu początkowego i końcowego.
Uczniowie w grupie analizują schemat rozpadu i ustalają odpowiedzi na pytania:

• W ilu poziomach wzbudzonych może się znaleźć jądro w następstwie przemiany βbeta?

• Ile wynosi największa energia poziomu wzbudzonego, w którym może znaleźć się jądro po rozpadzie βbeta?

• Jaka jest energia poziomu, do którego przejście βbeta jest najbardziej prawdopodobne?

• Jaka jest energia kwantu γgamma, który jest najczęściej emitowany po rozpadzie βbeta (w podanym przykładzie to 677,4 keV). Tu warto też dopytać, dlaczego najczęściej występujące przejście γgamma jest emitowane z poziomu, który nie jest najczęściej zasilany w przemianie βbeta?

Obliczenie średniej energii promieniowania γgamma (średnia ważona energii poziomu wzbudzonego i intensywności przejść).

Faza podsumowująca:

W ramach podsumowania nauczyciel zwraca uwagę, że jądra atomowe mogą się znaleźć w stanie wzbudzonym nie tylko po rozpadzie alfa czy βbeta. Przykładem jest rozszczepienie, np. wykorzystywanego w reaktorach uranu Indeks górny 235²³⁵U. Powstałe w rozszczepieniu jądra również znajdują się w stanie wzbudzonym, czego konsekwencją jest emisja promieniowania γgamma.
Nauczyciel ocenia pracę uczniów.

Praca domowa:

W ramach powtórzenia i utrwalenia wiadomości uczniowie rozwiązują zadanie 5 i 6 z zestawu ćwiczeń.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium

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