RadTown Radioactive Atom: Информация для учителя

Атомы являются основными строительными блоками всей материи. Ионизирующее излучение может исходить от нестабильных (радиоактивных) атомов или создаваться машинами.Когда нестабильные атомы распадаются и пытаются стать стабильными, ядра выделяют энергию в виде ионизирующего излучения (альфа-частицы, бета-частицы и гамма-лучи). Высвобождаемая энергия называется ионизирующим излучением, потому что ее энергии достаточно, чтобы сбить сильно связанные электроны с орбиты атома. Это приводит к тому, что атом становится заряженным ионом.

На этой странице:

Справочная информация для учителей
Целевая аудитория и темы деятельности
Время активности
Научные стандарты следующего поколения
Общие основные государственные стандарты
Дополнительные ресурсы

Справочная информация для учителей

В начале 20 века новозеландский ученый Эрнест Резерфорд провел эксперимент, в ходе которого он стрелял относительно большими электрически заряженными частицами (альфа-частицами) в тонкую золотую фольгу. Он обнаружил, что большинство частиц прошло прямо через фольгу, но некоторые оторвались под странными углами, как если бы они были отклонены. Резерфорд пришел к выводу, что атомы в основном представляют собой пустое пространство, но каждый из них содержит плотную область — центральную массу, через которую не могут пройти альфа-частицы. Он определил, что эта центральная масса должна иметь положительный заряд, чтобы отклонять положительно заряженные альфа-частицы. Это связано с тем, что одинаковые заряды или магнитные поля (положительные к положительным или отрицательные к отрицательным) отталкиваются, как показано при попытке совместить одинаковые полюса магнитов (с севера на север или с юга на юг).

Статья в тему: Сколько денег нужно, чтобы искоренить голод в мире

Теория строения атома Резерфорда-Бора

Резерфорд и датский ученый Нильс Бор разработали способ представления структуры атома, в котором атом выглядит как наша Солнечная система. В центре каждого атома находится ядро, которое можно сравнить с солнцем. Электроны движутся вокруг ядра по орбитам, подобным тому, как планеты движутся вокруг Солнца.

Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Ядро содержит протоны и нейтроны; вместе они называются нуклонами.

Протоны — положительно (+) заряженные частицы. Нейтроны электрически нейтральны и не имеют электрического (0) заряда.Протоны и нейтроны примерно в 1800 раз тяжелее электрона, который вращается вокруг ядра как облако. Электроны заряжены отрицательно (-) и уравновешивают положительный электрический заряд протонов в ядре. Понимание ученых об атомной структуре продолжало развиваться. Тем не менее, мы доверяем теории строения атома Резерфорда-Бора за то, что она предоставила нам основу для понимания атомного строения.

Определение структуры нейтрального атома

Нейтральные атомы имеют одинаковое количество протонов (+) и электронов (-). Мы можем использовать периодическую таблицу, в частности, атомный номер и атомную массу для каждого элемента, чтобы определить структуру нейтральных атомов. Атомный номер, уникальный для каждого элемента, указывает количество протонов в атоме. Например, все атомы водорода имеют 1 протон, все атомы углерода имеют 6 протонов и все атомы кислорода имеют 8 протонов. Нейтральные атомы имеют одинаковое количество протонов и электронов. Следовательно, атомы водорода имеют 1 протон и 1 электрон, атомы углерода имеют 6 протонов и 6 электронов, а атомы кислорода имеют 8 протонов и 8 электронов.

Атомы настолько малы, что нет смысла рассчитывать их массу в тех же единицах, которые мы используем каждый день, например, в унциях или граммах. Первые ученые-радиологи разработали единицу атомной массы (AMU) для расчета атомной массы. Атомная масса указывает количество нуклонов (протонов и нейтронов). Чтобы рассчитать количество нейтронов в атоме, мы округляем атомную массу до ближайшего целого числа и вычитаем атомный номер или количество протонов из атомной массы. Например:

Углерод: 12 (атомная масса) — 6 (атомный номер) = 6. Результат показывает, что атом углерода имеет 6 нейтронов, 6 протонов и 6 электронов.

Статья в тему: Как предотвратить ядерную войну в Украине

Что удерживает части атома вместе?

Противоположные электрические заряды протонов и электронов удерживают электроны на орбите вокруг ядра атома. Внутри ядра электромагнитные силы стремятся раздвинуть положительно заряженные протоны (и, как следствие, все ядро).Однако ядро удерживает вместе притяжение, так называемая сильная ядерная сила между нуклонами: протон-протон, нейтрон-нейтрон и протон-нейтрон. Эта мощная ядерная сила чрезвычайно мощна и распространяется только на очень короткое расстояние — примерно с диаметр протона или нейтрона. Сильному ядерному взаимодействию помогает присутствие нейтронов (чтобы помочь противостоять конкурирующим или отталкивающим силам протонов) или обмен частицей, называемой мезоном.

Почему некоторые атомы радиоактивны?

Тонкий баланс сил между частицами поддерживает стабильность ядра. Любое изменение числа, расположения или энергии нуклонов может нарушить этот баланс и привести к тому, что ядро станет нестабильным и создаст радиоактивный атом. Разрушение электронов, близких к ядру, также может вызвать излучение атома.

Могут ли нестабильные атомы стать стабильными?

Когда нестабильное ядро пытается стать стабильным, оно испускает излучение и превращается в другой элемент по мере изменения числа протонов. Этот процесс называется радиоактивным распадом и продолжается до тех пор, пока силы в ядре не уравновесятся и не станут стабильными. Другая сила, так называемая слабая ядерная сила, ответственна за радиоактивный распад. Примером слабого ядерного взаимодействия являются реакции ядерного синтеза, которые питают наше Солнце и обеспечивают энергию для поддержания жизни на Земле. Нестабильные атомы будут пытаться стать стабильными, превращаясь в новый изотоп или элемент, и энергия высвобождается в виде ионизирующего излучения до тех пор, пока силы в ядре не будут сбалансированы и стабильны. Ряд изменений, которым подвергается данный радиоактивный элемент, называется цепочкой распада. Ниже приведен пример цепочки распада урана-238.

Статья в тему: Что Библия говорит о ядерных бомбах и войне?

Каждый радиоактивный элемент распадается с уникальной скоростью. Эта скорость известна как период полураспада; количество времени, за которое примерно половина радиоактивных атомов в образце распадается в более стабильную форму. Изображение выше показывает, что период полураспада радия-226 составляет 1602 года.Таким образом, каждые 1602 года примерно половина атомов радия-226 в образце распадается и превращается в радон-222 (следующий элемент в цепочке распада). Обратите внимание, что уран, радий и свинец — это металлы, а радон — это инертный газ при нормальных условиях. Не исключено, что по мере распада радиоактивных элементов их форма (металлическая, газообразная, жидкая и т. д.) может изменяться.

Период полураспада медленно распадающихся элементов, таких как уран-238 и углерод-14, можно использовать для определения возраста органического вещества. Рентгенологи также используют информацию о периоде полураспада для настройки времени экспонирования пленки для рентгеновских лучей и сканирования с использованием других форм ионизирующего излучения.

Все ли ионизирующие излучения одинаковы?

Когда радиоактивные атомы распадаются, они выделяют энергию в виде ионизирующего излучения (альфа-частицы, бета-частицы и/или гамма-лучи). Энергия называется ионизирующим излучением, потому что у нее достаточно энергии, чтобы сбить сильно связанные электроны с орбиты атома. Это приводит к тому, что атом становится заряженным ионом.

Альфа-частицы

Когда соотношение нейтронов и протонов в ядре слишком низкое, некоторые атомы восстанавливают равновесие, испуская альфа-частицы. Альфа-частица — это положительно заряженная (+2) частица, состоящая из двух нейтронов и двух протонов. Это относительно тяжелые высокоэнергетические частицы, которые не могут проникнуть сквозь большую часть материи. Листка бумаги или омертвевших внешних слоев кожи достаточно, чтобы остановить альфа-частицы. Эксперимент Резерфорда (описанный выше) включал чрезвычайно тонкую золотую фольгу, через которую проникали альфа-частицы. Радиоактивный материал, который испускает альфа-частицы (альфа-излучатели), может быть очень вредным при вдыхании, проглатывании или всасывании в кровоток, поскольку внутренние органы подвергаются более прямому воздействию без защитного слоя клеток кожи.

Статья в тему: Что вы думаете о концепции искусственного интеллекта

Бета-частицы

Испускание бета-частиц происходит, когда отношение нейтронов к протонам в ядре слишком велико. В этом случае лишний нейтрон превращается в протон и электрон. Протон остается в ядре, а электрон (-1) энергично выбрасывается.Этот процесс уменьшает количество нейтронов на один и увеличивает количество протонов на один. Поскольку количество протонов в ядре атома определяет элемент, преобразование нейтрона в протон фактически превращает радиоактивный элемент (радионуклид) в другой элемент.

Скорость отдельных бета-частиц зависит от того, сколько энергии они имеют, и варьируется в широких пределах. Бета-частицы можно остановить одним или двумя слоями одежды или несколькими миллиметрами такого вещества, как алюминий. Они способны проникать через кожу и вызывать радиационные повреждения, такие как ожоги кожи. Как и альфа-излучатели, бета-излучатели наиболее опасны при вдыхании или проглатывании.

Гамма лучи

Гамма-излучение — это очень мощное ионизирующее излучение. Гамма-лучи не имеют массы и электрического заряда — это чистая электромагнитная энергия. Гамма-лучи распространяются со скоростью света и могут преодолевать от сотен до тысяч метров по воздуху, прежде чем израсходовать свою энергию. Они могут легко проникать через такие барьеры, как кожа и одежда. Гамма-лучи обладают настолько большой проникающей способностью, что для их остановки может потребоваться несколько дюймов плотного материала, такого как свинец, или несколько футов бетона. Гамма-лучи могут легко полностью проходить через тело человека; по мере прохождения они могут повредить ткани и ДНК.

Статья в тему: Как сделать пульсар во вселенной песочница 2

Целевая аудитория и темы деятельности

Занятия RadTown Radioactive Atom предназначены для того, чтобы помочь учащимся средних и старших классов определить структуру атома и описать структурные изменения, происходящие в нестабильных (радиоактивных) атомах при их распаде. Студенты узнают о теории атомной структуры Резерфорда-Бора и используют периодическую таблицу для определения атомной структуры элемента. Студенты также узнают о процессе радиоактивного распада и типах ионизирующего излучения, испускаемого радиоактивными атомами при их распаде. Кроме того, студенты узнают о часто встречающихся радиоактивных элементах, делении и синтезе.

ПРИМЕЧАНИЕ: Термин «излучение», используемый в мероприятиях, обычно относится к ионизирующему излучению, если не указано иное.

Время активности

Все учебные мероприятия по радиационной безопасности EPA RadTown можно использовать по отдельности или модифицировать и комбинировать для создания нескольких уроков. Параметры занятий позволяют настраивать занятия в соответствии с имеющимся у вас временем (например, 1–2 урока) и отвечать потребностям и интересам ваших учащихся.

Время, необходимое для выполнения действий, составляет от 45 до 60 минут, не включая дополнительные действия или расширения.

Научные стандарты следующего поколения

Концепции в этих наборах заданий можно использовать для поддержки следующих научных стандартов:

ПС1. Структуры и свойства материи
PS2. Силы и взаимодействия

Общие основные государственные стандарты (CCSS)

Понятия в Словарном Упражнении соответствуют следующим

Стандарты CCSS по английскому языку для грамотности по истории/общественным наукам, естественным наукам и техническим предметам:
- CCSS.ELA-LITERACY.RST.6-12.2 Ключевые идеи и детали
- CCSS.ELA-LITERACY.RST.6-12.4 Ремесло и структура
- CCSS.ELA-LITERACY.L.6-12.6 Приобретение и использование словарного запаса
Концепции в упражнении «Атомные открытия» соответствуют следующему: