Космические лучи

Учитель физики КГУСО школы-лицея №7 г.Семей, РК

Дюсюпова Н.А.

Класс 11 «a»

Дата проведения: _______________

Урок №____

Тема урока: Космические лучи.

Цель урока: Выяснение сущности космических лучей, а также новых элементарных частиц.

Задачи урока:

• Выяснить сущность космического излучения, а также новых элементарных частиц.

• Развивать логическое мышление, память, наблюдательность учащихся;

• Привить любознательность, самостоятельность, трудолюбие.

Тип урока: комбинированный урок.

Форма урока: урок-лекция.

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, частично – поисковый.

Оборудование и наглядные пособия: карточки, видеофильм.

Ход урока

1. Организационный момент:

Целеполагание:

Итак, ребята сегодня на уроке проведем зачет по пройденной главе «Физика атомного ядра», далее перейдем к изучению новой темы.

Положительный эмоциональный настрой.

1. Повторение:

Проведение зачета: Ребята, сейчас я вам раздам карточки по вариантам

Зачет

Вариант 1

1. Что называется массовым числом?

2. Какие реакции называются ядерными?

3. Что называют коэффициентом размножения нейтронов?

4. О чем свидетельствует явление радиоактивности? В чем отличие между искусственной и естественной радиоактивностью?

5. Запишите правило смещение -распада.

6. Что называют дефектом массы? Напишите формулу дефекта массы.

7. Что называют периодом полураспада радиоактивного вещества? Что он характеризует?

8. Какие реакции называют термоядерными?

9. Что называется ядерным реактором?

10. Что называют ядерными силами?

Задачи:

11. Написать недостающие обозначения в следующих ядерных реакциях.

_;

_;

12. Рассчитайте энергию связи ядра и удельную энергию связи для углерода _.

Ответ: _=92,163 МэВ; _=7,680 МэВ.

Вариант 2

1. Что называют нуклоном?

2. В чем заключалось открытие, сделанное Беккерелем в 1896 году?

3. Что называют цепной ядерной реакцией?

4. Запишите правило смещение β-распада.

5. Какими свойствами обладают ядерные силы притяжения?

6. Что называют энергией связи атомного ядра?

7. Выведите формулу закона радиоактивного распада. Каков характер этого распада?

8. Что называют критической массой урана?

9. Какое вещество служит замедлителем нейтронов в ядерном реакторе?

10. Что называют дозой поглощения?

Задачи:

11. Написать недостающие обозначения в следующих ядерных реакциях.

_;

_;

12. Рассчитайте энергию связи ядра и удельную энергию связи для изотопа лития _

Ответ: _=31,988 МэВ; _=5,331 МэВ.

Решение:

I вариант

11. _;

А+4=27+1⇒ А=24

Z+2=13+0⇒Z=11⇒_

_;

A+26=27⇒A=1

Z+12=13⇒Z=1⇒_

12. _= [6*1.00783+6*1.00866-12.00000] а.е.м.*931,5 МэВ/а.е.м.= 0,09894*931,5=92,163 МэВ.

_=_=7,680 МэВ

II-вариант

11. _

А+55=56+1⇒А=2

Z+25=26+0⇒Z=1⇒_

Z+1=11+2⇒Z=12⇒_

2. _= [3*1.00783+3*1.00866-6.01513] а.е.м.*931,5 МэВ/а.е.м.= 0,03434*931,5=31,988 МэВ.

_=_=5.331 МэВ

1. Изучение нового материала.

Ребята, сегодня объяснение нового материала будет проходить по следующему плану.

План изложения нового материала:

1. Краткий обзор главы «Элементарные частицы».

2. Космическое излучение.

3. Теоретическое предсказание существование новых элементарных частиц.

Ребята, открываем рабочие тетради, записываем число и тему урока «Глава 9. Элементарные частицы. Космические лучи». И для начала ответьте на вопрос «Что вы знаете об элементарных частицах?»

Краткий обзор главы «Элементарные частицы».

Приступая к изучению этой главы курса физики, обратите внимание на следующее. В каждом разделе физики ставилась определенная задача. В механике — нахождение положения тела в пространстве с течением времени (задача решается с помощью законов Ньютона). В молекулярной физике и термодинамике — описание состояния газа и термодинамических процессов (основное уравне­ние молекулярно-кинетической теории и законы термодинамики). В электростатике — расчет электрических полей (закон Кулона). В разделе "Постоянный электрический ток" — расчет электрических цепей (закон Ома) и т. д. Это частные задачи, и они довольно успешно решаются. Но одна из основных задач физики в целом заключается в поиске ответа на вопрос: "Делимо ли вещество до бесконечности?" Этой задаче уже свыше 2500 лет. Аристотель утверждал, что да, делимо. По Демокриту, в природе существуют только атомы и пустота, т. е. "кирпичики" мироздания, далее более неделимые, из которых состоит весь окружающий нас мир. С решением этой задачи человечество гораздо глубже проникло бы в тайны микромира, и многие явления в природе стали бы для нас более понятны.

С открытием радиоактивности (1896 г., А. Беккерель), электрона (1897 г., Д. Томсон), опытов Э. Резерфорда по рассеянию а-частиц на ядрах золота (1911 г.) было обнаружено, что атом имеет сложное строение. С открытием нейтрона (1932г., Д. Чедвик) была оконча­тельно установлена структура ядра и атома в целом (В. Гейзенберг, Д. Иваненко). К середине XX в. такие частицы, как электрон, протон, нейтрон и фотон (квант света), считались неделимыми и неизменными. Этого небольшого комплекта "кирпичиков", а также уравнений и законов, описывающих их поведение, было бы вполне достаточно, чтобы описать все многообразие физических явлений, происходящих в природе. Но в середине XX в. в космических лучах было обнаружено много новых элементарных частиц. Это существенно осложнило создание единой физической картины мира.

Космические лучи — элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве. Физика космических лучей изучает: процессы, приводящие к возникновению и ускорению космических лучей; частицы космических лучей, их природу и свойства; явления, вызванные частицами космических лучей в космическом пространстве, атмосфере Земли и планет. Классификация по происхождению космических лучей: вне нашей Галактики, в Галактике, на Солнце, в межпланетном пространстве. Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности Земли и в атмосфере. До развития ускорительной техники космические лучи служили единственным источником элементарных частиц высокой энергии. Так, позитрон и мюон были впервые найдены в космических лучах. По количеству частиц космические лучи на 90 процентов состоят из протонов, на 7 процентов — из ядер гелия, около 1 процента составляют более тяжелые элементы, и около 1 процента приходится на электроны.

В 1921—1925 годах американский физик Милликен, изучая поглощение космического излучения в атмосфере Земли в зависимости от высоты наблюдения, обнаружил, что в свинце это излучение поглощается так же, как и гамма-излучение ядер. Милликен первым и назвал это излучение космическими лучами. В 1925 году советские физики Л. А. Тувим и Л. В. Мысовский провели измерение поглощения космического излучения в воде: оказалось, что это излучение поглощалось в десять раз слабее, чем гамма-излучение ядер. Мысовский и Тувим обнаружили также, что интенсивность излучения зависит от барометрического давления — открыли «барометрический эффект».

Космические лучи представляют собой поток атомных ядер, массовый состав которого близок к распространенности различных атомных ядер во Вселенной. Космические лучи непрерывным потоком падают на Землю. Они приходят к нам как из ближнего (околосолнечного), так и дальнего (галактического) и, по-видимому, сверхдальнего (метагалактического) мирового пространства. Источником солнечных космических лучей является наше Солнце. Источником галактических космических лучей являются звезды, главным образом так называемые сверхновые звезды нашей Галактики. Метагалактические космические лучи приходят к нам из других Галактик. Их интенсивность существенно меньше, чем галактических лучей, но они содержат частицы очень большой энергии. Различают следующие типы космических лучей: галактические космические лучи – космические частицы, приходящие на Землю из нашей галактики. В их состав не входят частицы, генерируемые Солнцем. Солнечные космические лучи – космические частицы, генерируемые Солнцем.

Космическое излучение. Вскоре после изобретения прибора для регистрации частиц (счетчик Гейгера) в 1911 г. было обнаружено космическое излучение. Это поток стабильных частиц очень высоких энергий (до 10²¹ эВ), приходящих на Землю из космического пространства, а также рож­денное этими частицами при взаимодействии с атомными ядрами атмосферы вторичное излучение, в состав которого входят все извест­ные элементарные частицы. На рис. 1 изображен состав первичной компоненты космического излучения вблизи Земли (вне атмосферы).

Цифры показывают число частиц, падающих в 1 с на 1 м². Из рисунка видно, что в состав первичного излучения входят протоны (около 90%), а-частицы (около 7%) и другие атомные ядра, вплоть до самых тяжелых. По всей видимости, источником космического излучения явля­ются вспышки сверхновых звезд. В современных ускорителях достигается энергия заряженных частиц до 10¹⁴ эВ, что гораздо меньше энергии частиц, доле­тающих из отдаленных точек Вселенной (10²¹ эВ). Однако плотность космического излу­чения во много раз меньше плотности потока частиц, получаемых в ускорителях, что увеличивает вероятность соударения этих частиц с другими частицами или ядрами атомов. При таких столкновениях рождаются новые, ранее неизвестные рис.1 элементарные частицы. Но несмотря на это, ученые еще долго будут использовать в своих исследованиях космические частицы, обладающие громадной энергией.

Теоретическое предсказание существования новых элемен­тарных частиц. Впервые в 1927 г. при анализе уравнений квантовой механики английским физиком П. Дираком было предсказано суще­ствование первой античастицы — позитрона. В 1932 г., анализируя фотографии, полученные с помощью камеры Вильсона, американский физик Андерсон обнаружил на одной из них треки двух частиц, искривленных в противоположные стороны (см. рис. 2). Дальнейшие исследования показали, что позитрон рождается в результате взаимо­действия γ-фотона с тяжелым ядром, причем позитрон рождается всегда вместе с электроном. Впервые был экспериментально под­твержден переход электромагнитного поля в вещество. Согласно закону сохранения энергии, энергия налетающего γ-фотона Е= hv переходит в массу покоя электрона и позитрона. Минимальная энергия hv, необходимая для создания электронно-позитронной пары, равна 2т₍₎с². Рис. 2

Находясь в вакууме, позитрон (как и электрон) ведет себя как устойчивая ста­бильная частица, однако в веществе он неизбежно попадает в область притяжения одного из электронов и проходит обратный процесс — аннигиляцию с рождением двух или трех γ-квантов в полном соответствии с законом сохранения энергии и импульса

Итак, каждой частице нашего мира должна быть сопоставлена античастица (кроме фотона). В 1955 г. экспериментально был обнаружен антипротон, в 1956 г. — антинейтрон, а в 1969 г. получено небольшое количество атомов антигелия, т. е. анти­вещества. Существуют ли звезды и планеты из антивещества? Ответить на этот вопрос сегодня однозначно нельзя.

IV. Закрепление:

1. Что такое космические лучи?

2. Что изучает физика космических лучей?

3. Какие космические лучи называют первичными? Какие вторичными?

4. Чему равна энергия частиц космических лучей?

5. Кем и когда предсказано существование позитрона?

6. Что такое аннигиляция?

7. Перечислите известные античастицы и годы их обнаружения.

V. Подведение итогов урока.

Таким образом, ребята мы с вами на сегодняшнем уроке посредством изучения новой темы выяснили сущность космического излучения, а также раскрыли сущность новых элементарных частиц, их образование.

VI. Домашнее задание.

Записываем и комментируем домашнее задание: §9.1.