ΣΧΕΔΙΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ                               ΤΑΞΗ  :  Γ΄  ΛΥΚΕΙΟΥ  ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ

ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ  ΕΝΟΤΗΤΑ                              

 

 

ΕΛΛΕΙΜΜΑ  ΜΑΖΑΣ  -  ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ

 

 

Α. Διδακτικοί στόχοι

 

Οι μαθητές πρέπει:

1.      Να γνωρίζουν τι δηλώνουν οι όροι «έλλειμμα μάζας» και «ενέργεια  σύνδεσης» και να τους συσχετίζουν.

2.      Να συσχετίζουν τη ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο με τη σταθερότητα του πυρήνα.

3.      Να γνωρίζουν τι δηλώνει και πότε πρέπει να χρησιμοποιείται ο όρος «ραδιενέργεια»

4.      Να γνωρίζουν το  συμβολισμό και τα βασικά χαρακτηριστικά των τριών ακτινοβολιών που συνδέονται με το φαινόμενο της ραδιενέργειας.

5.      Να συνοψίζει σε πέντε γραμμές τις επιπτώσεις της ραδιενέργειας στους ανθρώπους και το περιβάλλον.

6.      Να συσχετίζει το χρόνο ημιζωής των πυρήνων με το πρόβλημα της ραδιενεργού ρύπανσης.

 

Β. Παρουσίαση της ενότητας

 

·         Η μάζα ενός πυρήνα είναι μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των ελευθέρων νουκλεονίων που τον αποτελούν.

·         Η ενέργεια σύνδεσης ισοδυναμεί με το έλλειμμα μάζας και εκφράζει την ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να προσφέρουμε στον πυρήνα έτσι ώστε τα νουκλεόνια που τον αποτελούν να απελευθερωθούν από τις πυρηνικές δυνάμεις με συνέπεια τη διάλυση του πυρήνα.

·         Η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο αποτελεί ένα ενεργειακό μέτρο της σταθερότητας του πυρήνα. Στους ευσταθέστερους πυρήνες αντιστοιχεί μεγαλύτερη ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο.

·         Η ακτινοβολία που εκπέμπεται αυθόρμητα και συνεχώς από κάποια σώματα (όπως τα άλατα του ουρανίου), ονομάζεται φυσική ραδιενέργεια. Η ακτινοβολία αυτή προσβάλει το φωτογραφικό φίλμ, προκαλεί φθορισμό σε πολλά σώματα, ιονίζει τα αέρια και διέρχεται μέσα από αδιαφανή σώματα.

·         Κατά το φαινόμενο της ραδιενέργειας παρατηρήθηκαν τρία είδη ακτινοβολίας. Η σωματιδιακή ακτινοβολία α (είναι πυρήνες ηλίου), η σωματιδιακή ακτινοβολία β  (είναι ηλεκτρόνια) και η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία γ (φωτόνια) πολύ μεγάλης συχνότητας.

·         Η ακτινοβολία που εκπέμπεται από τα ραδιενεργά κατάλοιπα των πυρηνικών αντιδραστήρων, της βιομηχανίας επεξεργασίας πυρηνικών καυσίμων, της βιομηχανίας στρατιωτικών όπλων, των εργοστασίων παραγωγής προϊόντων ιατρικού – γεωργικού – αρχαιολογικού ενδιαφέροντος  κλπ, αποτελεί ένα μεγάλο σύγχρονο πρόβλημα.

·         Χρόνος ημιζωής είναι ο χρόνος που         απαιτείται για να μειωθεί στο μισό μια ποσότητα ραδιενεργού υλικού. Ο χρόνος ημιζωής ορισμένων πυρήνων είναι έως και 1010 χρόνια.

 

Γ. Εναλλακτικές ιδέες των μαθητών

 

Οι προϋπάρχουσες ιδέες των μαθητών για θέματα ραδιενέργειας προέρχονται κυρίως από τα μέσα μαζικής ενημέρωσης, κυρίως από την τηλεόραση, και από το οικογενειακό - φιλικό περιβάλλον τους μετά από κάποιο συνήθως δυσάρεστο (πυρηνικό ατύχημα, διαρροή ραδιενέργειας) γεγονός. Σε ανάλογες περιπτώσεις συνήθως κυριαρχεί παραπληροφόρηση και σύγχυση. Η εκλαϊκευμένη τηλεοπτική – δημοσιογραφική γνώση που μεταδίδεται από τα ΜΜΕ είναι κατά κύριο λόγο μη επιστημονική και υπεύθυνη για τις παρανοήσεις των μαθητών.

Πρέπει λοιπόν να διερευνήσουμε τις εναλλακτικές ιδέες των μαθητών μας και να αποκαταστήσουμε την αλήθεια  έτσι ώστε αργότερα αυτοί να κατανοήσουν την αναγκαιότητα αλλά και τα σοβαρά κοινωνικά και ηθικά προβλήματα που δημιουργεί η αναπόφευκτη χρήση της πυρηνικής ενέργειας.

 

 

Δ. Διδακτικές προτάσεις

 

Επειδή είναι δύσκολο οι μαθητές να κατανοήσουν το «έλλειμμα μάζας», εφόσον τίποτε ανάλογο δεν είναι άμεσα αντιληπτό από αυτούς, κρίνεται σκόπιμο να χρησιμοποιήσουμε μια υποθετική ζυγαριά στη μια πλευρά της οποίας θα τοποθετήσουμε  ένα πρωτόνιο με μάζα mp και ένα νετρόνιο με μάζα mn  και στην άλλη πλευρά ένα πυρήνα με μάζα mπυρ  που συγκροτείται από τα δυο νουκλεόνια.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Θα ρωτήσουμε τους μαθητές τι περιμένουν να συμβεί. Στη συνέχεια διορθώνοντας  τις  απαντήσεις τους, εισάγουμε το έλλειμμα μάζας ως τη μάζα Δm που υπολείπεται από τη δεξιά πλευρά του ζυγού μας, ώστε αυτός να ισορροπεί.

Στο σημείο αυτό είναι σκόπιμο να αναφέρουμε ότι επειδή όλα είναι υπό τη σκέπη της παντοδύναμης αρχής διατήρησης της ενέργειας, τίποτε δεν πρέπει να λείπει. Τι έγινε όμως η μάζα Δm; Συγκεντρώνουμε τις απαντήσεις των μαθητών και καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι δύο τα ενδεχόμενα είναι:  Εκπομπή σωματιδίων ή  εκπομπή ενέργειας (ακτινοβολία).

Πόση όμως είναι η ενέργεια των σωματιδίων ή των φωτονίων της ακτινοβολίας αυτής;

Τώρα θυμίζουμε την εξίσωση Ε = mc2 μέσω της οποίας συσχετίζουμε τη μάζα Δm με την ενέργεια Ε που εκπέμπεται κατά τη συγκρότηση του πυρήνα.

Για την κατανόηση της ενέργειας σύνδεσης ανά νουκλεόνιο Ε/Α και της σχέσης της με τον μαζικό  αριθμό Α των πυρήνων, πρέπει να προβάλουμε σε διαφάνεια το διάγραμμα Ε/Α – Α. Με κατάλληλες ερωτήσεις οδηγούμε τους μαθητές, με απευθείας παρατήρηση, να συσχετίσουν την ενέργεια σύνδεσης με το μέγεθος των πυρήνων.

 

Για το φαινόμενο της ραδιενέργειας προτείνουμε την ιστορική αναδρομή. Είναι ο καταλληλότερος τρόπος αφού δύσκολα θα έχουμε στη διάθεσή στο Σχολείο, κάποια ασφαλή ραδιενεργό πηγές  και έναν μετρητή Geiger – Muller. Επομένως θα αξιοποιηθούν τα applets και οι προσομοιώσεις που υπάρχουν στα sites που σας προτείνουμε στο CD που συνοδεύει το βιβλίο.

Σημαντική διδακτική βοήθεια μπορούμε να έχουμε από επίκαιρα σχετικά θέματα αλλά και από το site http://www.physics.ntua.gr/eesfye/POP/1stpage.html  της Ελληνικής Εταιρείας Σπουδών Φυσικής Υψηλών Ενεργειών.

 

Δεξιότητες - Στάσεις

 

Πιστεύουμε ότι το μάθημα αυτό αποτελεί μοναδική ευκαιρία ενημέρωσης των μαθητών σχετικά με το θέμα της ραδιενέργειας. Η σωστή ενημέρωση από το Σχολείο είναι καθοριστική για τη στάση που θα έχουν οι μαθητές μας στο μέλλον ως πολίτες. Πρέπει να επιμείνουμε με παραδείγματα, δημοσιεύματα εφημερίδων, άρθρα περιοδικών κλπ σχετικά επίκαιρα θέματα, προκαλώντας σχετικές συζητήσεις,  έτσι ώστε όλοι να μάθουν να διαχειρίζονται τη σχολική γνώση εφαρμόζοντάς την στην πράξη. Έτσι η μελλοντική στάση τους ως πολίτες, σε τόσο σημαντικά θέματα, θα είναι τεκμηριωμένη και εποικοδομητική για την κοινωνία και το φυσικό περιβάλλον.

 

Αναφορές στην ιστορία και την εξέλιξη της επιστήμης

 

Μπορούμε να πούμε ότι η είσοδος στην Πυρηνική Φυσική γίνεται το 1897 περίπου. Τότε ο Γάλλος Φυσικός Henry Becquerel  παρατήρησε ότι μια φωτογραφική πλάκα καλυμμένη από μαύρο χαρτί για να προστατεύεται  από το φως, όταν βρισκόταν σε επαφή με ορισμένα άλατα του γνωστού για την εποχή στοιχείου ουράνιο, προσβαλλόταν σαν να είχε εκτεθεί στο φως, ή στις ακτίνες Rontgen που πρόσφατα είχαν ανακαλυφθεί. Για να εξηγηθεί το φαινόμενο αυτό, έπρεπε να υποτεθεί η ύπαρξη κάποιας ακτινοβολίας που εκπέμπει το ουράνιο, η οποία διαπερνά το χαρτί και προσβάλλει τη φωτογραφική πλάκα.

Η έρευνα συνεχίστηκε από τους Curie που ανακάλυψαν ότι και άλλα υλικά εκπέμπουν ακτινοβολία παρόμοια με αυτή του Ουρανίου. Τo φαινόμενο αυτό η Marie Curie, το ονόμασε «ραδιενέργεια». Εδώ αξίζει να επισημάνουμε τις μακροχρόνιες και επίπονες έρευνες κάτω από αντίξοες συνθήκες του ζεύγους Curie, που είχαν σαν αποτέλεσμα την ανακάλυψη δυο ακόμα ραδιενεργών στοιχείων του Ραδίου και του Πολωνίου. Οι Curie γνήσιοι επιστήμονες, ουδέποτε χρησιμοποίησαν κερδοσκοπικά τις εφευρέσεις τους αλλά αντιθέτως υποστήριζαν ότι «εργαζόμαστε μόνο για την πρόοδο τα επιστήμης». Το 1903 απενεμήθη στον Becquerel και στους Curie το βραβείο Νόμπελ Φυσικής. Όμως η συνεχής έκθεση στη ραδιενέργεια είχε προκαλέσει ανεπανόρθωτες βλάβες στην υγεία της Marie Curie  που πέθανε τελικά από λευχαιμία. Την ίδια τύχη είχε και η κόρη της που εργαζόταν και αυτή στο Ινστιτούτο Ραδίου του Παρισιού.

 

Εποπτικό υλικό και μέσα διδασκαλίας

 

·         Overhead

·         Η/Υ με σύνδεση  Internet

Μια ενδιαφέρουσα  σειρά πειραμάτων πυρηνικής, υπάρχει στις σελίδες 73-105 του βιβλίου, Πειράματα Φυσικής Λυκείου με Timer Scaler και Frequency Meter, του Δ. Φοίνιου, έκδοση Παιδαγωγικό Ινστιτούτο Κύπρου.

 

Συνθετικές εργασίες

 

Τα ραδιενεργά απόβλητα, η επίδραση της ραδιενεργού ακτινοβολίας στον ανθρώπινο οργανισμό, πυρηνικά ατυχήματα, Τσέρνομπιλ, ο πυρηνικός χειμ΄βνας, η διασπορά των πυρηνικών όπλων, το Enola Gay και το τέλος του 2ου παγκόσμιου πολέμου, μπορέι να είναι κάποια θέματα για συνθετικές εργασίες.

 

 

 

Φύλλο  Εργασίας του μαθητή

 

ΕΛΛΕΙΜΜΑ  ΜΑΖΑΣ  -  ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ

                                   

ΤΑΞΗ  :  Γ΄  ΛΥΚΕΙΟΥ  ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ

 

 

Να υπογραμμίσετε τη σωστή επιλογή στις στήλες ΙΙ, ΙΙΙ, ΙV  στον παρακάτω  πίνακα.

 

 

 

Στήλη ΙI

Στήλη ΙΙΙ

Στήλη  ΙV

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ  - α

ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ   -  β

ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ   - γ

Φύση

1.      Πυρήνες He

2.      Ηλεκτρόνια

3.      Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία

 

1.      Πυρήνες He

2.      Ηλεκτρόνια

3.      Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία

1.      Πυρήνες He

2.      Ηλεκτρόνια

3.      Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία

Επίδραση Ηλεκτρικού και Μαγνητικού πεδίου

1.      Ναι

2.      Όχι

1.      Ναι

2.      Όχι

1.      Ναι

2.      Όχι

Διεισδυτική ικανότητα

1.      Διακόπτεται από ένα φύλλο χαρτί

2.      Μειώνεται αλλά δεν διακόπτεται ούτε από φύλλα μολύβδου

3.      Διακόπτεται από φύλλο αλουμινίου πάχους 3 mm

1.      Διακόπτεται από ένα φύλλο χαρτί

2.      Μειώνεται αλλά δεν διακόπτεται ούτε από φύλλα μολύβδου

3.      Διακόπτεται από φύλλο αλουμινίου πάχους 3 mm

1.      Διακόπτεται από ένα φύλλο χαρτί

2.      Μειώνεται αλλά δεν διακόπτεται ούτε από φύλλα μολύβδου

3.      Διακόπτεται από φύλλο αλουμινίου πάχους 3 mm

Προκαλεί ιονισμό

1.      Ελάχιστο

2.      Μεγάλο

3.      Μέτριο

1.      Ελάχιστο

2.      Μεγάλο

3.      Μέτριο

1.      Ελάχιστο

2.      Μεγάλο

3.      Μέτριο

Επικινδυνότητα

1.      Ναι

2.      Όχι

1.      Ναι

2.      Όχι

1.      Ναι

2.      Όχι

Ταχύτητα

1.      Περίπου 50% της c

2.      Περίπου 10% της c

3.      Ακριβώς c

1.      Περίπου 50% της c

2.      Περίπου 10% της c

3.      Ακριβώς c

1.      Περίπου 50% της c

2.      Περίπου 10% της c

3.      Ακριβώς c

Τρόποι ανίχνευσης

1.      Φωτογραφικό φιλμ, θάλαμος φυσαλίδων, απαριθμητής Geiger – Muller

2.      Φωτογραφικό φιλμ, ηλεκτροσκόπιο, θάλαμος φυσαλίδων.

1.      Φωτογραφικό φιλμ, θάλαμος φυσαλίδων, απαριθμητής Geiger – Muller

2.      Φωτογραφικό φιλμ, ηλεκτροσκόπιο, θάλαμος φυσαλίδων.

1.      Φωτογραφικό φιλμ, θάλαμος φυσαλίδων, απαριθμητής Geiger – Muller

2.      Φωτογραφικό φιλμ, ηλεκτροσκόπιο, θάλαμος φυσαλίδων.

 

 

 

 

Φύλλο  ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ

 

ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ  -  ΕΛΛΕΙΜΜΑ  ΜΑΖΑΣ

                                   

ΤΑΞΗ  :  Γ΄  ΛΥΚΕΙΟΥ  ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ

 

1.      Ποιος από τους πυρήνες :   11Η  και    21Η  παρουσιάζει έλλειμμα μάζας και γιατί;

 

……………………………………………………………………………………………………………………..

 

………………………………………………………………………………………………………………………

 

………………………………………………………………………………………………………………………

 

 

2.      Ο πυρήνας   2311Να έχει ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο ίση με 8,11 ΜeV.  Το έλλειμμα μάζας του πυρήνα αυτού ισοδυναμεί με : 

 

(α)  89,21 MeV  (β)  97,32 MeV  (γ)  186,53  MeV  (δ)  0,200284  u.

 

 

3.      Οι πυρήνες  2311Να , 11Η ,     23592U ,    188O , έχουν ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο ίση  με  8,11  MeV,  1,11 MeV,   7,64  MeV,   και  7,74 MeV  αντίστοιχα.  Να κατατάξετε τους πυρήνες αυτούς σε σειρά φθίνουσας σταθερότητας, δίνοντας την κατάλληλη διακιολογία.

 

……………………………………………………………………………………………………………………..

 

………………………………………………………………………………………………………………………

 

………………………………………………………………………………………………………………………

 

……………………………………………………………………………………………………………………..

 

………………………………………………………………………………………………………………………

 

………………………………………………………………………………………………………………………

 

4.      Να χαρακτηρίσετε με Σ τις σωστές και με Λ τις λανθασμένες προτάσεις.

 

·         Το έλλειμμα μάζας  εκφράζει την ενέργεια που θα απελευθερωθεί, αν ο πυρήνας διασπαστεί στα νουκλεόνιά του.

·         Η ενέργεια σύνδεσης είναι το κριτήριο της σταθερότητας ενός πυρήνα.

·         Όλες οι ακτινοβολίες που εκπέμπονται από τους ασταθείς πυρήνες ανιχνεύονται από το φωτογραφικό φιλμ.

·         Η ραδιενέργεια είναι ιδιότητα ορισμένων υλικών που υπάρχουν στη φύση.

 

5.      Να  συμπληρωθούν οι πιο κάτω προτάσεις.

 

Ο όρος ραδιενέργεια αποδόθηκε στο φαινόμενο ………………………………………………………..

 

………………………………………………………………………………………………………………………

 

……………………………………………………………………………………………………………………..

 

Ο χρόνος ημίσειας ζωής είναι ……………………………………………………………………………

 

………………………………………………………………………………………………………………………

 

……………………………………………………………………………………………………………………..

 

Ραδιενεργό ρύπανση έχουμε ……………………………………………………………………………………

 

………………………………………………………………………………………………………………………

 

……………………………………………………………………………………………………………………..

 

………………………………………………………………………………………………………………………