Temat

Promieniowanie jądrowe $\alpha$, $\beta$ i $\gamma$

Etap edukacyjny

Trzeci

Podstawa programowa

XI. Fizyka jądrowa. Uczeń:

3) wymienia właściwości promieniowania jądrowego; opisuje rozpady alfa, beta.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Opisuje jakościowo rozpad alfa, beta i gamma.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Wymienia właściwości promieniowania jądrowego.

2. Opisuje zachowanie promieniowania jądrowego w polu elektrycznym.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- opisuje trzy rodzaje promieniowania jądrowego,

- wymienia właściwości promieniowania jądrowego.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Doświadczenie.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Powtórzenie wiadomości. Nauczyciel stawia uczniom pytania. Uczniowie sporządzają schematyczny rysunek i zapisują podstawowe pojęcia na tablicy.

Czym jest atom? Z czego zbudowane są atomy?

Realizacja lekcji

Nauczyciel wprowadza podstawowe pojęcia dotyczące promieniotwórczości naturalnej.

Promieniotwórczość naturalna:

Materia zbudowana jest z atomów. Atomy zbudowane są z elektronów otaczających jądro. Jądro składa się z neutronów i protonów. Jądra niektórych atomów są niestabilne. Atomy te (izotopy pierwotne) ulegają spontanicznemu rozpadowi tworząc bardziej stabilny atom (izotop pochodny) i emitują przy tym promieniowanie radiacyjne. Substancje emitujące takie promieniowanie nazywane są radioaktywnymi.

Rodzaje promieniowania:

Występują trzy rodzaje promieniowania jądrowego:

a) alpha ($\alpha$),
b) beta ($\beta$),
c) gamma ($\gamma$).
$\alpha$, $\beta$ i $\gamma$ są pierwszymi literami alfabetu greckiego. Rodzaje promieniowania zostały nazwane w takiej kolejności, w jakiej zostały odkryte.

[Ilustracja 1]

Uczniowie pracując w małych grupach wykonują zadania.

Polecenie 1
Przeczytaj umieszczony poniżej tekst o własnościach promieniowania jądrowego. Przepisz do zeszytu i uzupełnij poniższą tabelę.

[Tabela 1]

Promieniowanie alfa:
Cząstki alfa zbudowane są z 2 protonów i 2 neutronów. Mają dodatni ładunek równy dwukrotnemu ładunkowi elementarnemu i są identyczne z jądrami helu. Cząstki alfa są względnie wolne i ciężkie w porównaniu z innymi formami promieniowania jądrowego. Mają one małą zdolność przenikania materii i zasięg w powietrzu do kilku centymetrów. Można je zatrzymać za pomocą kartki papieru.

Promieniowanie beta:
Cząstki beta mają ujemny ładunek równy ładunkowi elementarnemu i masę stanowiącą około $\frac{1}{2000}$ masy protonu. Oznacza to, że cząstki beta są elektronami (lub pozytonami) wytworzonymi w jądrze w wyniku rozpadu promieniotwórczego zwanego rozpadem beta (nie są to elektrony pochodzące z powłok atomu). Są one bardzo lekkie i poruszają się szybko. Promieniowanie beta rozchodzi się w powietrzu, może również przeniknąć przez kartkę papieru. Zatrzymać go może cienka płyta z aluminium.

Promieniowanie gamma:
Promienie gamma są falami elektromagnetycznymi, nie cząstkami. Nie mają masy, ani ładunku. Promieniowanie gamma ma największą zdolność przenikania materii. Niskoenergetyczne promieniowanie gamma przenika przez powietrze, papier lub cienką warstwę metalu. Wysokoenergetyczne promieniowanie gamma może zatrzymać jedynie kilka centymetrów ołowiu lub kilka metrów betonu.

[Ilustracja 2]

Zdolność przenikania materii różnych typów promieniowania.

Jonizacja:

Promieniowanie jądrowe jonizuje materię, to znaczy że atomy ośrodka przestają być elektrycznie obojętne. Cząstki naładowane oddziałują silnie z atomami i jonizują je bezpośrednio (oddziaływanie kulombowskie), wybijając elektron a powłoki atomowej i tracąc przy tym energię.

Cząstki alfa mogą silnie jonizować inne atomy, dlatego że mają duży ładunek. Cząstki beta zdolne są do jonizowania atomów, ale w mniejszym stopniu niż cząstki alfa.

Promieniowanie gamma oddziałuje w mniejszym stopniu, nie mając ładunku elektrycznego jonizuje materię pośrednio poprzez inne procesy jak efekt fotoelektryczny czy rozpraszanie komptonowskie, gdzie uwolnione elektrony mają wystarczającą energię by móc jonizować materię w wyniku oddziaływań kulombowskich. Z tego powodu zdolność przenikania promieniowania gamma jest największa.

Polecenie 2

Poznałeś już niektóre właściwości promieniowania alfa, beta i gamma. W jaki sposób wpływa na to promieniowanie pole elektryczne? Określ źródła radiacji pokazane na rysunku i uzasadnij swój wybór.

[Ilustracja 3]

Odpowiedź:

Źródło 1 – źródło promieniowania alfa.
Źródło 2 – źródło promieniowania beta.
Źródło 3 – źródło promieniowania gamma.

Cząstki alfa posiadają ładunek dodatni. Są one przyciągane przez okładkę naładowaną ujemnie i odchylane w mniejszym stopniu niż promieniowanie beta ze względu na większą masę. Promienie gamma nie mają ładunku i nie są odchylane w polu elektrycznym. Cząstki beta są naładowane ujemnie i są odchylane w kierunku okładki naładowanej dodatnio.

Nauczyciel omawia metody wykrywania promieniowania.

Wykrywanie promieniowania:

Ludzkie zmysły nie są w stanie wykryć promieniowania jądrowego, dlatego wykorzystuje się w tym celu specjalistyczne urządzenia. Do najbardziej powszechnych zaliczają się dozymetry osobiste oraz liczniki Geigera- Müllera.

Dozymetry osobiste:
Dozymetry osobiste zawierające klisze są jednymi z bardziej znanych. Używane są do pomiaru promieniowania gamma, rentgenowskiego oraz wysokoenergetycznego promieniowania beta. Dozymetr zawiera mały fragment kliszy fotograficznej umieszczonej w przezroczystym opakowaniu i zamkniętej w metalowej osłonie. Dozymetry te noszone są przez osoby mające do czynienia w pracy z radiacją. Gdy klisza fotograficzna zaabsorbuje promieniowanie, ulega ona zaczernieniu. Im więcej promieniowania zostanie zaabsorbowane, tym ciemniejsza po wywołaniu jest klisza.

Liczniki Geigera‑Müllera:
Licznik Geigera‑Müllera składa się z rurki wypełnionej gazem, wewnątrz której znajdują się dwie elektrody podłączone do napięcia rzędu kilkuset woltów. Promieniowanie jądrowe przechodząc przez gaz powoduje jego jonizację. Powstałe w wyniku jonizacji elektrony i jony są przyspieszane w polu elektrycznym, wywołując dalsze procesy jonizacji i w efekcie wyładowanie lawinowe. Objawia się to powstaniem impulsu prądu, który przesyłany jest do urządzenia zliczającego. Urządzenie to daje sygnał akustyczny lub wyświetla liczbę zliczeń. Im większa częstotliwość sygnału lub większa liczba zliczeń, tym wyższe jest promieniowanie.

Podsumowanie lekcji

Występują trzy rodzaje promieniowania jądrowego: alfa ($\alpha$), beta ($\beta$ ), gamma ($\gamma$). Alfa i beta są cząstkami posiadającymi ładunek, natomiast promienie gamma to fale elektromagnetyczne, które nie niosą żadnego ładunku. Najbardziej przenikliwe są promienie gamma, promieniowanie beta ma mniejszy zasięg, a cząstki alfa przebywają w powietrzu drogę kilku centymetrów. Wszystkie trzy typy promieniowania jonizują materię.