Шкільні прилади і досліди для вивчення і рахунку іонізуючих частинок

Для всіх газів і пари, що світиться, характерний свій лінійчастий спектр. Залежно від умов збудження може змінюватися й вигляд лінійчастого спектра певної речовини. Наприклад, лінійчасті спектри газу, утворені в дуговому й іскровому розряді, різні, оскільки в другому випадку газ іонізується. Отже, з того, який вигляд має спектр, певною мірою можна судити про ступінь іонізації речовини, тобто про її плазмовий стан.

Смугасті спектри розглядаються як різновидність лінійчастих; вони належать молекулам речовини. Тому лінійчасті спектри називаються атомними, а смугасті — молекулярними. Для утворення молекулярних спектрів треба, щоб речовина також перебувала в газоподібному стані, при цьому молекули не повинні бути розщеплені на окремі атоми.

Вивчення спектрів вбирання можна почати з демонстрування ліній натрію. На екрані дістаємо суцільний спектр, а потім між щілиною і об'єктивом (ближче до щілини) в полум'ї спиртівки чи газового пальника спалюємо натрій або сіль натрію. На екрані в жовто-оранжевій частині спектра з'являється виразна чорна лінія. Пояснюємо, що коли температура розжареного газу (наприклад, пари натрію в полум'ї спиртівки) нижча за температуру, яка дає суцільний спектр, то на фоні останнього утворюється темна лінія. Коли ж джерело суцільного спектра погасити, то на екрані видно жовту лінію.

Потім замість пальника між щілиною і об'єктивом уміщуємо скляну кювету, наповнену водою, і демонструємо, як звичайно, суцільний спектр. Замінивши в кюветі воду спочатку розчином марганцевокислого калію, а потім мідного купоросу, звертаємо увагу учнів на характерні особливості спектрів вбирання для кожного розчину. Речовину, яка забарвлює розчин, слід поступово доливати в розчинник у процесі досліду. Тоді видно розширення смуг вбирання в спектрі.

Щоб продемонструвати вбирання світла скляними світлофільтрами або кольоровим целофаном, вміщуємо на шляху променів, що утворюють на екрані суцільний спектр, червоний, фіолетовий або зелений світлофільтри. Колір світлофільтра визначається тим, яку частину спектра він пропускає.

         Утворення спектрів вбирання пояснюємо тим, що всяке тіло, незалежно від його природи, при певній температурі. найбільше вбирає ті промені, які саме випромінює при такій самій температурі (закон Кірхгофа).

Розгляд спектрів закінчуємо питанням про спектр Сонця. Показуємо на таблиці (або через спектроскоп прямого зору) спектр Сонця, відмічаємо фраунгоферові лінії, пояснюємо їх. Підкреслюємо, що в момент повного сонячного затемнення темні лінії сонячного спектра стають кольоровими. Пропонуємо учням самостійно пояснити таку зміну в спектрі.

Після вивчення спектрів випромінювання і вбирання природно ознайомити учнів із спектральним аналізом, з його застосуванням для визначення хімічного складу речовини, для дослідження будови речовини, вивчення властивостей світла тощо. Слід розповісти про застосування в різних галузях промисловості не тільки емісійного спектрального аналізу, а й абсорбційного (зокрема, для визначення концентрації розчинених речовин і автоматичного контролю зміни концентрації). Відповідний матеріал можна знайти в праці О. А. Шишловського і О. М. Борбата «Оптика та її застосування» («Радянська школа», 1964).

1.2 Інфрачервоне й ультрафіолетове випромінювання. Пригадавши дослід на дослідження розподілу енергії в спектрі електричної дуги, ставимо завдання дослідити, чи не продовжується спектр вправо і вліво від видимої частини. Спочатку доцільно вивчити інфрачервону частину спектра, попередньо показавши, що випромінювання нагрітих тіл, але таких, що ще не світяться, можна виявити за допомогою термостовпчика, з'єднаного з чутливим демонстраційним гальванометром. Можна, наприклад, виявити випромінювання від спіралі плитки, не доведеної до червоного розжарення, від поверхні утюга тощо. Після цього цим самим термостовпчиком виявляємо інфрачервоне випромінювання в спектрі електричної дуги.

За допомогою вгнутих металевих дзеркал слід показати, що інфрачервоні промені поширюються прямолінійно і відбиваються так само, як і промені видимого світла. Для цього встановлюємо дзеркала так, щоб центри їх поверхонь і головні фокуси були на одній прямій. У фокусі одного дзеркала вміщуємо спіраль в керамічній оправі і вмикаємо ЇЇ в освітлювальну мережу. Термостовпчик розміщуємо в головному фокусі другого дзеркала.

Можна також продемонструвати досліди на вбирання інфрачервоних променів різними речовинами. На шляху пучка світла, що йде від призми, розміщуємо плоскопаралельну кювету з розчином мідного купоросу і показуємо, що на ділянці за кінцем спектра стрілка гальванометра не відхиляється. Отже, розчин мідного купоросу непрозорий для інфрачервоних променів, він вбирає їх.

Досліди на виявлення інфрачервоних променів і вивчення їх властивостей можна провести, скориставшись як індикатором сірчисто-срібним фотоелементом типу ФЕСС-У-3, ФЕСС-У-9 чи ФЕСС-У-10 або фоторезисторами типу ФС-А-4 чи ФС-К1.

Слід підкреслити, що неправильно називати інфрачервоні промені тепловими. Інфрачервоні хвилі, як і хвилі видимої частоти спектра, електромагнітні. Коли ці хвилі вбираються тілом, енергія їх перетворюється у внутрішню енергію тіла.

За вибором учителя учнів доцільно ознайомити з окремими прикладами застосування інфрачервоного випромінювання: для сушіння різних виробів і прогрівання тканини живого організму, для фотографування в тумані чи в повній темряві, у військовій справі для автоматичного наведення керованих снарядів на ціль, для виявлення невидимих чи замаскованих військових об'єктів тощо.

 Для виявлення ультрафіолетового  випромінювання найпростіше скористатися люмінесціюючим екраном або екраном від шкільної рентгенівської трубки. На настільному екрані дістаємо невеликий, але яскравий суцільний спектр від дугової лампи проекційного ліхтаря, з якого попередньо витягли конденсор. Потім люмінесціюючим в ультрафіолетових променях екраном прикриваємо верхню половину фіолетового кінця спектра і показуємо, що спектр стає довшим: екран світиться світло-зеленим світлом і в невидимій частині спектра (мал. 5), далеко за фіолетовим кінцем спектра. Після вимикання дугової лампи в темряві спостерігається післясвічення екрана.

Для одержання інтенсивного пучка ультрафіолетових променів користуємося ртутно-кварцовою лампою, стінки якої виготовлені із спеціального чорного скла, що пропускає тільки ультрафіолетову частину спектра. Щоб відфільтрувати ультрафіолетове проміння, у вікно освітлювача з ртутно-кварцовою лампою (наприклад, типу. ПРК.-4) вставляємо спеціальний темний світлофільтр — увіолеве скло або світлофільтр типу УФС-1.

Характерними властивостями ультрафіолетового випромінювання є його фотохімічна дія і здатність викликати люмінесценцію і фосфоресценцію різних речовин. Спрямувавши пучок ультрафіолетових променів убік від учнів, вносимо в нього різні люмінесціюючі речовини (набір трубок з флуоресценції, наповнених розчинами еозину, флуоресцеїну і родоміну, набір з фосфоресценції — три сектори з люмінофорами) і демонструємо їх яскраве різноколірну свічення.

Поставивши на шляху пучка ультрафіолетових променів металевий лист під будь-яким кутом, можна за допомогою люмінофора продемонструвати їх відбивання.

Підкреслюємо, що ультрафіолетові й інфрачервоні промені відбиваються, заломлюються, інтерферують, розкладаються в спектр, як і видиме світло. Діапазони довжин хвиль цих ділянок спектра — 380 — 5 нм для ультрафіолетового й 10б — 770 нм для інфрачервоного проміння.

На закінчення слід коротко розповісти про застосування ультрафіолетових променів у дефектоскопії, біології й медицині.

Рентгенівське випромінювання. Після розгляду ультрафіолетового випромінювання логічно поставити запитання про можливість існування проміння з ще коротшою довжиною хвилі. Спочатку коротко розповідаємо про історію відкриття променів, а потім визначаємо властивості, дії рентгенівських променів і їх застосування. Електромагнітну природу рентгенівських променів пояснюємо з точки зору механізму гальмівного випромінювання так. Напрямлений рух електронів від катода до анода являє собою електричний струм, навколо якого існує магнітне поле. Коли електрони ударяться об анод, відбувається різке їх гальмування, яке супроводиться зміною магнітного й електричного полів, внаслідок чого

утворюються електромагнітні хвилі. Зміна швидкості електронів при гальмуванні різна. Внаслідок цього утворюється неперервний спектр рентгенівського випромінювання.

        Оскільки вплив на організм учнів рентгенівського випромінювання, навіть м’якого і невеликої інтенсивності, небажаний, то не слід демонструвати дію трубки і властивості променів. Досить скористатися під час вивчення цього матеріалу навчальним кінофільмом (звуковим) «Рентгенівські промені», випущеним в 1966р. Київською студією науково-популярних фільмів, в якому розповідається про утворення, властивості й застосування рентгенівських променів.

Слід розповісти про ті труднощі, які виникали у процесі вивчення природи рентгенівського випромінювання. Твердження про електромагнітну природу цих променів буде для учнів переконливішим, якщо їх ознайомити з ідеями й результатами досліду М. Лауе. Припущення, що рентгенівські промені являють собою електромагнітні хвилі, які виникають під час гальмування електронів у момент удару об анод, спочатку не підтверджувалося дослідами. Ряд властивостей рентгенівських променів ніби не свідчив про їх хвильову природу. Рентгенівські промені не відбивались і не заломлювались на межі двох середовищ, як звичайні світлові хвилі, не дифрагували й не інтерферували при використанні звичайних дифракційних решіток.

Пояснюємо суть дослідів М. Лауе з дифракції рентгенівських променів на кристалічних решітках, якими було доведено, що ці промені здатні дифрагувати, отже, вони мають хвильову природу; тільки довжина хвилі для рентгенівських променів значно менша, ніж у видимих чи ультрафіолетових. Довжина хвиль рентгенівського випромінювання знаходиться в діапазоні 5—0,01 нм.

Будову й дію іонної рентгенівської трубки вивчати не слід, бо вона вийшла з ужитку; варто коротко спинитися на будові електронної трубки (трубки Куліджа).

Слід розповісти про галузі застосування рентгенівського випромінювання: для лікування й діагностики хвороб, виявлення дефектів у деталях, вивчення структури речовини (рентгенівський спектральний і люмінесцентний аналіз) тощо. Бажано заздалегідь підготувати до уроку таблиці із схемами рентгенівських установок, що застосовуються в різних галузях техніки, медицини тощо.

          Шкала електромагнітних хвиль. Після ознайомлення з різними видами випромінювань логічно зробити загальний огляд електромагнітних хвиль. Вивчення радіохвиль різної довжини, світлових хвиль видимої частини спектра, інфрачервоних, ультрафіолетових і рентгенівських променів показало, що, незважаючи на різні способи утворення і якісні відмінності, вони мають однакову фізичну природу — всі вони електромагніти і хвилі. Лише незначна частина їх діє безпосередньо на наші органи чуття, а про всі інші ми дістаємо уявлення за допомогою відповідних приладів. З фізичної точки зору всі хвилі відрізняються одна від одної тільки частотою (довжиною хвилі) й амплітудою. Тому їх можна розмістити в безперервний ряд за послідовним зменшенням довжини хвилі, інакше кажучи, за зростанням частоти коливань. Такий ряд називається шкалою електромагнітних хвиль.

      Пояснюючи цей матеріал, слід скористатися спеціальною таблицею шкали електромагнітних хвиль.

Важливо підкреслити, що єдиного універсального методу збудження електромагнітних хвиль немає, тому всю шкалу можна поділити на ряд окремих частин відповідно до способів їх збудження і приймання: радіохвилі, інфрачервоні промені, видиме світло, ультрафіолетові промені, рентгенівські промені і гама-промені, з якими учні ознайомляться трохи пізніше. Окремі області електромагнітних хвиль частково перекривають одна одну. Наприклад, мікрорадіохвилі заходять в область довгохвильової частини інфрачервоного випромінювання; короткі ультрафіолетові хвилі менші від хвиль м'якого рентгенівського випромінювання; рентгенівський спектр частково перекриває спектр гама-променів тощо. Перекривання окремих областей хвиль свідчить про те, що хвилі таких довжин можна дістати двома способами: наприклад, хвилі в 0,1 мм за допомогою коливального контура і при тепловому випромінюванні тіла. Зрозуміло, що фізичні властивості цих хвиль абсолютно однакові, оскільки вони визначаються довжиною хвилі, а не методом збудження. Називається випромінювання за способом його утворення.

Таким чином, усі види випромінювання мають єдину електромагнітну природу, але залежно від довжини електромагнітної хвилі вони по-різному й поводять себе в речовині, в якій поширюються, по-різному проявляють себе, тобто мають якісні відмінності, які залежать від зміни (кількісної) довжини хвилі.

 

 

 

 

 

 

 

 

Розділ ІІ. Фізика атомного ядра

Під час вивчення цієї теми слід ознайомити учнів з експериментальними методами реєстрації заряджених частинок, з властивостями протона і нейтрона, з ізотопами та енергетичним виходом ядерних реакцій. Доцільно також спинитися на явищі радіоактивності.

Матеріал цієї теми бажано вивчати в такій послідовності:

1.  Відкриття радіоактивності. Особливості α-, β - і γ-проміння.

2.   Експериментальні методи реєстрації заряджених частинок.

3.  Будова ядра. Складові частини  ядра. Ізотопи. Енергія зв'язку.

4.   Ядерні реакції.

2.1 Радіоактивність. З курсу хімії учні знають, що радіоактивністю називається здатність елементів спонтанно випромінювати α-, β- і γ- промені і перетворюватись в інші елементи. Відомо, що під час хімічних реакцій електрони у зовнішніх шарах перегруповуються, а ядра не змінюються. Отже, хімічні реакції зумовлюються лише перетвореннями в електронних оболонках атомів.

Розглянемо тепер походження α- і β-проміння. Джерелом α-проміння не може бути оболонка атома, бо в ній немає частинок з такою масою й зарядом. Отже, α-проміння має ядерне походження.