Vse

утворюються додаткові носії електричного заряду — пара «електрон— дірка», які збільшують провідність матеріалу, а отже, зменшують його опір.

Концентрація носіїв заряду поблизу грані /, що освітлюється, набагато вища, ніж біля протилежної, затемненої грані 2. Електрони і дірки дифундують від грані / до грані 2, проте через неоднакову їх рухливість в об'ємі напівпровідника відбувається перерозподіл заряду, який створює електричне поле Е. Наявність електричного поля підтримує різницю потенціалів, внаслідок чого існує фотоЕРС.

Утворення фотоЕРС використовують у різних приладах, призначених для вимірювання потужності випромінювання, сонячних батареях, які застосовують у космічній техніці тощо.

Останнім часом в електронних пристроях і засобах сигналізації широко використовують фотоелементи. В основу їх дії покладено властивість фотокатода здійснювати емісію електронів під впливом випромінювання. Фотокатод складається з тонкої плівки фотоемісійного матеріалу, нанесеної на пластинку, що опромінюється. Фотокатод разом з анодом вміщують у скляну колбу, з якої викачано повітря (вакуумний фотоелемент), або наповнюють її газом (газонаповнений фотоелемент).

ФотоЕРС — виникнення ЕРС унаслідок опромінення напівпровідників

Отже, він може бути чутливим лише до певного діапазону хвиль, наприклад ультрафіо-летового випромінювання, і не реагувати на видиме світло. Є фотоелементи, які охоплюють весь спектр видимого світла або чутливі в інфрачервоному діапазоні хвиль. Цю здатність

фотоелементів використовують у різних оптичних приладах, зокрема у приладах нічного бачення.

36. Методика вивчення ядерної фізики у 11 класі загальноосвітньої школи.

Розділ 1. Аналіз програми в випускному класі при вивченні ядерної фізики

Вивчення фізики в старшій школі на профільному рівні спрямовано на досягнення наступних цілей:

освоєння знань про методи наукового пізнання природи; сучасної фізичної картини світу, властивостей речовини й поля, просторово-часових залежностей, динамічних і статистичних законів природи, елементарних частинок і фундаментальних взаємодій, будови й еволюції Всесвіту; знайомство з основами фундаментальних фізичних теорій: класичної механіки, молекулярнокінетичної теорії, термодинаміки, класичної електродинаміки, спеціальної теорії відносності, квантової теорії;

оволодіння вміннями проводити спостереження, планувати й виконувати експерименти, обробляти результати вимірювань, висувати гіпотези й будувати моделі, установлювати границі їхньої застосовності;

застосування знань по фізиці для пояснення явищ природи, властивостей речовини, принципів роботи технічних пристроїв, рішення фізичних завдань, самостійного отримання й оцінки вірогідності нової інформації фізичного змісту, використання сучасних інформаційних технологій для пошуку, переробки й використання навчальної й науково-популярної інформації з фізики;

розвиток пізнавальних інтересів, інтелектуальних і творчих здатностей у процесі рішення фізичних завдань і самостійного придбання нових знань, виконання експериментальних досліджень, підготовки доповідей, рефератів й інших творчих робіт;

виховання духу співробітництва в процесі спільного виконання завдань, поважного відношення до думки опонента, обґрунтованості висловлюваної позиції, готовності до морально-етичної оцінки використання наукових досягнень, поваги до творців науки й техніки, що забезпечує провідну роль фізики в створенні сучасного миру техніки;

використання придбаних знань й умінь для рішення практичних, життєвих завдань, раціонального природокористування й захисту навколишнього середовища, забезпечення безпеки життєдіяльності людини й суспільства.

Саме останнє завдання фізики і цікавить нас. Адже завданням роботи буде розгляд питань дозиметрії, які тісно пов’язані із радіоактивним забрудненням території, радіонуклідами та шкідливою дією радіоактивного випромінювання.

Вказані питання розглядаються в випускному, 11 класі у другому семестрі. На вивчення питань по темі «Атом та атомне ядро» виділяється, згідно типової програми, 20 годин та 2 години резерву. Згідно типової програми на вивчення теми «Поглинута доза випромінювання та її біологічна дія. Захист від опромінення» виділяється одна навчальна година. На цьому занятті проводиться вивчення понять доза випромінювання, біологічна доза опромінення та даються рекомендації щодо захисту від опромінення. Питання вимірювання радіоактивних випромінювань не розглядається у шкільній програмі взагалі. Тому для поглибленого вивчення теми дозиметрія потрібно виділити щонайменше дві навчальні години. І після теми «Поглинута доза випромінювання та її біологічна дія. Захист від опромінення. Техніка безпеки при роботі із радіоактивними речовинами» потрібно повести розгляд теми «Вимірювання радіоактивних випромінювань. Дозиметри», на занятті буде розглянуто будову та використання різних систем дозиметрів, проведено практичне вимірювання радіоактивного фону приміщення. В типовій програмі є тема «Експериментальні методи реєстрації іонізуючих випромінювань», яка дотична до теми «Вимірювання радіоактивних випромінювань. Дозиметри», але у методах реєстрації іонізуючих випромінювань головний акцент зроблено на будові та принципі дії лічильника Гейгера, а не на використанні дозиметрів. Тому доцільним вважається, на мою думку, залишити заняття «Експериментальні методи реєстрації іонізуючих випромінювань» без змін та провести із метою поглибленого вивчення дозиметрії два заняття із темами, які вказані у таблиці 1.

Таблиця 1. Теми занять при поглибленому вивченні дозиметрії.

№Тема заняття.

Час на проведення другого заняття можна отримати за рахунок резерву часу, який як було сказано вище, складає 2 години. А якщо резерв часу вибраний на проведення контролюючих занять та тематичних атестацій, то потрібно провести об’єднання занять. Наприклад можна об’єднати такі заняття, як «Термоядерні реакції. Боротьба за ліквідацію загрози ядерної війни» та заняття «Проблема розвитку ядерної енергетики в Україні. Чорнобильська катастрофа та ліквідація її наслідків». Два вказані заняття можна об'єднати в одне та провести у вигляді нетрадиційного уроку. Таким чином ми отримаємо час на проведення заняття по темі «Вимірювання радіоактивних випромінювань. Дозиметри».

Для забезпечення практичної складової занять по фізиці доцільно при поглибленому вивченні теми дозиметрії проводити різноманітні демонстраційні та лабораторні досліди. Але при їх проведенні все впирається у наявність необхідних приладів (дозиметрів) та роботу із радіоактивними матеріалами, що є небезпечним для життя. Тому доцільним є запропонувати при вивченні теми «Вимірювання радіоактивних випромінювань. Дозиметри» провести демонстраційний дослід по вимірюванню радіаційного фону приміщення (фізичного кабінету) та по вимірювання радіаційного фону кількох природних зразків мінералів, які володіють невеликим радіаційним фоном, який є все ж більшим за природній фон, це можуть бути зразки базальту, граніту, тощо. Також можна виміряти радіаційний фон еталонного разка радіоактивного препарату, який міститься у верхній кришці кожного рентгенометра ДП – 3 у верхній частині футляра за свинцевою перегородкою. Його також можна використовувати для градуювання дозиметрів, якщо виникне така потреба.

Взагалі роботу із радіоактивними препаратами у будь-якому вигляді потрібно проводити обережно і перед самим заняття провести інструктаж по техніці безпеки, що відобразити у шкільному журналі.

У курсі фізики для 11 класу передбачений також і лабораторний практикум у складі 8 годин. Тому можна запропонувати провести у складі лабораторного практикуму лабораторну роботу на тему «Вимірювання радіаційного фону. Складання радіаційної карти місцевості».

Проведення такої роботи вимагає спеціальної підготовки до проведення роботи, а також вимагає наявності необхідної техніки та приладів. У нашому випадку будемо виходити із того, що в наявності є лише один дозиметр. Тому можна запропонувати на початку лабораторної роботи ознайомитися із роботою приладу під безпосереднім контролем вчителя та визначити радіаційний фон приміщення, на що відвести близько 20 хвилин часу заняття. Після засвоєння методики роботи із дозиметром пропонується скласти радіаційну карту місцевості. Учні класу на прилеглій до школи території проводять заміри радіаційного фону та оцінюють відстань до приміщення школи. Згодом по отриманих даних радіаційного фону та відстанях складають радіаційну карту місцевості, на якій схематично позначають прилеглі будинки, тощо та проставляють величини фону. Складання карти можна запропонувати провести у якості домашнього завдання до роботи. При наявності у школі кількох дозиметрів, наприклад побутових дозиметрів «Бриз» чи інших можна створити декілька груп учнів та охопити вимірюваннями більшу територію.

Проведення вказаних вище занять дозволить більш поглиблено вивчити питання дозиметрії у курсі фізики для типових класів. Дозволить отримати практичні навики роботи із дозиметром, визначати

радіаційний фон приміщень на відкритих територій, сформує вміння та навики роботи із радіоактивними речовинами та правила техніки безпеки при поводженні із ними.

У класах із поглибленим вивченням фізики дані теми можна розширити, наприклад на тему «Вимірювання радіоактивних випромінювань. Дозиметри» виділити більшу кількість годин.

Розділ 2. Основні поняття дозиметрії

Розглянемо основні питання теми, які необхідно висвітлити при проведенні занять.

2.1. Доза випромінювання, види поглинутої дози випромінювання Дозою опромінення називають енергію випромінювання, яка поглинута в одиниці об’єму або маси

речовини за весь час впливу випромінювання. Енергія поглинутого опромінення витрачається на іонізацію речовини. Отже доза опромінення характеризує ступінь іонізації речовини, чим більша доза тим більший ступінь іонізації. Саме тому доза опромінення являється мірою поражаючого впливу радіоактивного опромінення. Одна і та ж доза може накопичуватися за різний час, причому біологічний ефект опромінення залежить не тільки від величини дози, але і від часу її накопичення. Чим швидше отримана дана доза опромінення, тим більша її поражаюча здатність.

Існує три види доз: експозиційна, поглинута та еквівалентна. Доза опромінення, що характеризує іонізаційний ефект рентгенівського та гамма – опромінення в повітрі носить назву експозиційної дози. Саме її і вимірюють за допомогою дозиметричних приладів. Вона характеризує джерело та радіоактивне поле, яке він створює. Це потенційна небезпека опромінення. Людина може ввійти в це поле й опромінитися, але може й не ввійти й, отже, не піддатися опроміненню. Але поле з певною дозою випромінювання залишається. Її вимірюють у рентгенах (Р), а в системі СІ - кулонах на кілограм (Кл/кг).

Поглинена доза опромінення - це кількість енергії різних видів іонізуючих випромінювань, поглинена одиницею маси даного середовища. За одиницю поглинутої дози опромінення приймають джоуль на кілограм (Дж/кг) – грей (Гр), а широко розповсюдженою є також позасистемна одиниця - рад.

Еквівалентна доза опромінення враховує ту обставину, що різні види випромінювань створюють різний біологічний вражаючий ефект при одній і тій же дозі випромінювання. Наприклад, випромінювання наносить людині вражаючий ефект у двадцять разів більший, ніж така ж доза гамма-випромінювання. Щоб урахувати нерівномірність ураження від різних видів випромінювань уведений «коефіцієнт якості», на який необхідно помножити величину поглиненої дози від певного виду випромінювання, щоб одержати еквівалентну дозу. Всі національні й міжнародні норми встановлені саме в еквівалентній дозі опромінення. Позасистемною одиницею цієї дози є бер, а в системі СІ - зіверт (Зв).

2.2. Біологічна дія іонізуючого випромінювання

Відомо, що 2/3 загальної маси тканин людини становлять вода й вуглець, вода під впливом випромінювання розщеплюється на водень Н и гідроксильну групу ОН. Які або безпосередньо, або через ланцюг вторинних перетворень утворюють продукти з високою хімічною активністю:

гідратний оксид і перекис водню . Ці сполуки взаємодіють із молекулами органічної речовини тканини, окисляючи й руйнуючи її.

У результаті впливу іонізуючого випромінювання порушуються нормальний плин біохімічних процесів й обмін речовин в організмі. Залежно від величини поглинутої дози випромінювання й індивідуальних особливостей організму зміни можуть бути оборотними або необоротними. При невеликих дозах уражена тканина відновить свою функціональну діяльність.

Будь-який вид іонізуючих випромінювань викликає біологічні зміни в організмі як при зовнішньому (джерело перебуває поза організмом), так і при внутрішнім опроміненні (радіоактивні речовини попадають усередину організму).

Біологічний ефект іонізуючого випромінювання залежить від сумарної дози й часу впливу випромінювання, виду випромінювання, розмірів опроміненої поверхні, індивідуальних особливостей організму.

При однократному опроміненні всього тіла людини можливі біологічні порушення залежно від сумарної поглиненої дози випромінювання. При опроміненні дозами, в 100 - 1000 разів перевищуючу смертельну дозу, людина може загинути під час опромінення.

Міра чутливості різних тканин до опромінення неоднакова. Якщо розглядати тканини органів у порядку зменшення їхньої чутливості до дії випромінювання, то одержимо наступну послідовність: лімфатична тканина, лімфатичні вузли, селезінка, щитовидна залоза, кістковий мозок, зародкові клітки. Більша чутливість кровотворних органів до радіації лежить в основі визначення характеру променевої хвороби. При однократному опроміненні всього тіла людини поглиненою дозою 0,5 Гр через добу після опромінення може різко скоротитися число лімфоцитів.

Зменшиться також і кількість еритроцитів (червоних кров'яних тілець) після закінчення двох тижнів після опромінення (тривалість життя еритроцитів приблизно 100 діб). У здорової людининалічується порядку 1014 червоних кров'яних тілець при щоденному відтворенні 1012 їх, у хворого променевою хворобою таке співвідношення порушується.

Важливим фактором при впливі іонізуючого випромінювання на організм є час опромінення. Зі збільшенням потужності дози вражаюча дія випромінювання зростає. Чим більше дробне випромінювання за часом, тим менша його вражаюча дія.

Зовнішнє опромінення а-, а також -частками менш небезпечне. Вони мають невеликий пробіг у тканині й не досягають кровотворних й інших внутрішніх органів. При зовнішньому опроміненні

необхідно враховувати - і нейтронне опромінення, які проникають у тканину на більшу глибину й руйнують її.

Подивимося, які ж процеси відбуваються в результаті іонізації.

При іонізації складних молекул відбувається їхня дисоціація в результаті розриву хімічних зв'язків. Це так називана пряма дія іонізуючого випромінювання. Більше істотну роль у формуванні біологічних наслідків грає механізм непрямої дії іонізуючого випромінювання. Під непрямою дією випромінювання розуміють радіаційно-хімічні зміни в даній речовині, обумовлені продуктами радіолізу води.

Відомо, що в біологічній тканині 70 % по масі становить вода. У результаті іонізації молекули води утворяться вільні радикали й за наступною схемою:

У присутності кисню утворяться також вільний радикал гідро перекису і перекис водню, що є сильними окислювачами.

Вільні радикали й окислювачі, маючи високу хімічну активність, вступають в хімічні реакції з молекулами білка, ферментів й інших структурних елементів біологічної тканини, що приводить до зміни біохімічних процесів в організмі. У результаті порушуються обмінні процеси, придушується активність ферментних систем, сповільнюється й припиняється ріст тканин, виникають нові хімічні

сполуки, не властиві організму, токсини. Це приводить до порушення життєдіяльності окремих функцій або систем й організму в цілому.

Індуковані вільними радикалами хімічні реакції розвиваються з більшим виходом і втягують у цей процес багато сотень і тисячі молекул, не порушених випромінюванням. У цьому складається специфіка дії іонізуючого випромінювання на біологічні об'єкти, що полягає в тім, що створений ними ефект обумовлений не стільки кількістю поглиненої енергії, скільки тією формою, у якій ця енергія передається. Ніякий інший вид енергії (теплова, електрична й ін.), поглинені біологічним об'єктом у тій же кількості, не приводять до таких змін, які викликає іонізуюче випромінювання.

Наприклад, смертельна доза іонізуючого випромінювання для ссавців дорівнює 5 Гр (500 рад), відповідає поглиненій енергії випромінювання 5 Дж/кг. Якщо цю енергію підвести у вигляді тепла, то вона нагріла б тіло лише на 0,001° С. Саме іонізація атомів і молекул середовища обумовлюють специфіку дії іонізуючого випромінювання.

2.3. Методи виявлення та вимірювання радіоактивного випромінювання

Для вимірювання рівня радіоактивного випромінювання використовують прилади, які отримали загальну назву дозиметри. Дозиметричні прилади можна класифікувати за призначенням, типу датчика, вимірюванню типу випромінювання, характеру електричних сигналів, тощо.

Дозиметри розділяють на декілька груп:

Дозиметричні прилади, призначені для вимірювання потужності дози (рівнів радіації), що іноді називають фоном.

Радіометричні прилади, за допомогою яких визначають радіоактивне забруднення поверхні різних предметів, а також їхню питому активність (радіоактивність).

Портативні пристрої, мініатюрні переносні прилади, призначені для індивідуального дозиметричного контролю.

Для визначення рівнів радіації, ступеня радіоактивності або дози випромінювання використають один з методів: фізичний, хімічний, фотографічний, біологічний або математичний (розрахунковий).

В основі роботи дозиметричних приладів використаються наступні методи індикації:

іонізаційний;

сцинтиляційний;

люмінесцентний;

фотографічний;

хімічний;

калориметричний;

нейтронно-активаційний.

Як же влаштований дозиметричний прилад?

Принципова схема будь-якого дозиметричного й радіометричного приладу однакова. Вона включає три обов'язкових блоки: детекторний пристрій (детектор), реєструючий прилад (індикатор) і блок живлення (акумулятори, батарейки, елементи, електромережа й ін.). Без кожного з них дозиметра або

радіометра просто не може бути. Хоча сучасний прилад має безліч додаткових, допоміжних блоків, пристроїв, систем (підсилювачі, перетворювачі, формувачі імпульсів, стабілізатори, і ін.).

Типова блок-схема дозиметричного пристрою зображена на рисунку 1.1.

3.1. Методика вивчення поняття

«доза випромінювання» При введенні понять доза випромінювання потрібно зупинитися на встановленні

особливостей кожного із типів доз опромінення. Дати характеристику експозиційної, поглинутої, біологічної дози. Дані дози відрізняються одна від одної по характеристиках тому, для кращого засвоєння матеріалу можна запропонувати, наприклад, викладений матеріал систематизувати за допомогою таблиці, де відобразити назву дози випромінювання, системні на позасистемні одиниці її вимірювання, прехід між одиницями вимірювання, тощо. Створена таблиця міститиме всі основні характеристики випромінювання і сприятиме закріпленню матеріалу.

3.2. Методика вивчення біологічної дії іонізуючого випромінювання

Вивчення біологічного впливу радіоактивного випромінювання повинно враховувати те, що схожі питання учні вже розглядали під час вивчення курсів біології, органічної хімії. Основ безпеки життєдіяльності. Тому потрібно лише нагадати їм про біологічну дію радіоактивного випромінювання. Також при розгляді даного питання потрібно зробити наголос на практичній цінності цього питання та на формування вмінь та навичок безпечного поводження із радіоактивними речовинами.

3.3. Методика вивчення методів практичного виявлення та вимірювання радіоактивного випромінювання

Вивчення методів практичного виявлення та вимірювання радіоактивного випромінювання передбачає користування дозиметричними приладами. Але головним у цій темі буде забезпеченість школи та кабінету фізики дозиметричними приладами. Потрібно перевірити на наявність дозиметрів шкільний кабінет військової підготовки, заводські лабораторії, формування цивільної оборони, де повинен бути радіометр-рентгенметр ДП-5А. якщо його не буде виявлено то можна скористатися будь-яким побутовим дозиметром. При викладанні даної теми доцільно розглянути класифікацію дозиметричних приладів за характером вимірювання радіоактивних випромінювань, узагальнену схему дозиметра на основі лічильника Гейгера, а далі розглянути практичну роботу із одним із виявлених дозиметричних пристроїв. При проведенні даного уроку потрібно роботи наголос на практичній складовій отриманих учнями знань. Показати їх практичну цінність для вимірювання рівня радіоактивного забруднення, визначення радіоактивного фону територій. Для цього слугує і запропонована лабораторна робота в складі лабораторного практикуму із фізики.

Розділ 4. Формування міжпредметних зв’язків під час поглибленого вивчення основних понять дозиметрії в 11 класі

Вивчення основних питань дозиметрії являється метою ще кількох інших шкільних предметів, які їх вивчають із ціллю не визначення рівня радіоактивного випромінювання, а для встановлення способів та методів захисту від нього, що є метою основ безпеки життєдіяльності, а також біології, де вивчають вплив іонізуючого випромінювання на живу клітину та її генетичні структури.

При вивченні питань дозиметрії вчитель фізики повинен використовувати інформацію про радіоактивні випромінювання, яку учні отримали із інших навчальних предметів, що дозволить поглибити їх знання із предмету, сформувати між предметні зв’язки, тощо.

4.1. Формування міжпредметних зв’язків із біологією

Радіоактивні випромінювання вивчаються також і біологією, особливо їх шкідлива дія на живі організми. В біології не виділено окремого заняття по вивченню радіоактивних випромінювань, це є завданням більше основ безпеки життєдіяльності, але в курсі біології вивчається вплив різних факторів на спадковий апарат ДНК та денатурація білків. Під час вивчення вказаних вище тем дається оцінка впливу радіації, радіоактивного забруднення на спадковий апарат ДНК. Вказується, що радіоактивні випромінювання шкідливо впливають на редуплікацію ДНК, особливо при формування та рості живого організму. При редуплікації ДНК можуть відбуватися збої, що приведе до розвитку мутацій та пошкодження генетичного коду. Особливо це небезпечно при формування зародка людини та для новонароджених. Для сформованого організму шкідливий вплив радіації має вже інші механізми (променева хвороба). Вимірювання рівня радіоактивного випромінювання в біології не вивчається.

При вивченні фізики потрібно звертатися до цього матеріалу, формувати між предметні зв’язки із біологією.

4.2. Формування міжпредметних зв’язків із основами безпеки життєдіяльності.

Питання радіаційної безпеки розглядаються також і таким предметом як основи безпеки життєдіяльності. В його курсі виділено 2 години на вивчення видів радіоактивного опромінення, їх небезпеки для життєдіяльності, також розглядається ядерні зброя в контексті вивчення зброї масового знищення.

Вкурсі основ безпеки життєдіяльності велику увагу приділяють, в основному, не питанням дозиметрії як таким, а питанням дій населення при небезпеці радіоактивного опромінення, профілактики та лікування радіоактивних уражень, променевої хвороби, тощо. Питання дозиметрії там розглянуті побічно, коли вказуються зони радіоактивного забруднення вводиться поняття дози радіоактивного забруднення – рентгена, тощо.

Вкурсі основ безпеки життєдіяльності значну увагу приділено такому питанню як радіаційна безпека, розглядаються питання безпечного поводження із радіоактивними матеріалами, охорони довкілля від радіоактивних опромінень та забруднення.

Значно більшу увагу питанням дозиметрії приділено в курсі початкової військової підготовки, але зважаючи на малу кількість годин по даному предмету та досить часто на відсутність підготованих викладачів викладання початкової військової підготовки у школах ведеться досить погано і розгляд таких питань як ядерна зброя, ядерних вибух у курсі початкової військової підготовки ведеться досить поверхнево. Але при вивченні питань дозиметрії вчителю фізики важливо отримати від вчителя початкової військової підготовки деякі прилади та матеріали, які перебувають у його віданні. Ще із часів СРСР у шкільному кабінеті військової підготовки були такі прилади як набори індивідуальних дозиметрів ИД – 1, хімічний дозиметр ДП – 70 та ДП – 70 М (модернізований), індикатор – сигналізатор ДП – 64, рентгенометр ДП – 03, тощо. Не всі із вказаних у даному переліку приладів ще залишилися у шкільних кабінетах, але враховуючи те що за часів СРСР забезпечення кабінетів початкової військової підготовки було на досить високому рівні, то можливість знайти дані прилади є досить високою. На їх основі можна побудувати проведення як лабораторної роботи так і