The Spacetime Metric
Poziom 1 · PodstawyKlasy 8–9Około 6 godzin

Atomy, jądra i promieniowanie

Poznaj maleńkie struktury, które przechowują większość masy widzialnej materii i uwalniają energię jądrową.

Model interaktywny

Zbadaj, zanim policzysz

Jądra deuteru zajmujące miejsca wewnątrz metalowej sieci krystalicznej wraz z otaczającymi je elektronami.
Metalowa sieć krystaliczna może zmieniać otoczenie naładowanych cząstek. Zaobserwowanie produktów jądrowych i osiągnięcie dodatniego bilansu mocy to dwa osobne pytania eksperymentalne.

Laboratorium interaktywne

Rozpad izotopów i rejestr masy i energii

Podążaj za modelowaną populacją izotopów przez upływające okresy półtrwania, a następnie połącz deklarowany defekt masowy z energią transformacji i efektywnością detektora bez mylenia liczb, energii emitowanej czy pochłoniętej dawki.

pozostałe jądraJądra przekształcone

Pozostające: 1.250e+11

Transformacje: 8.750e+11

Obecna aktywność: 8.664e+7 BQ

Energia każda: 9.315e-1 MeV

Modelowana emisja energii: 1.306e-1 J

Oczekiwane wykryte liczby: 8.750e+10

Każdy miniony okres półtrwania zmniejsza populację o połowę pozostałej, a nie ponownie oryginalną populację. Obecna aktywność spada wraz z pozostałymi jądrami, podczas gdy liczba zintegrowanych transformacji rośnie.

Ten model pojedynczej gałęzi przypisuje każdemu przekształceniu jeden defekt masy i jedną sprawność. Wnioskowanie rzeczywiste wymaga rozgałęzień rozpadu, łańcuchów potomnych, geometrii, tła, czasu martwego, emitowanych widm, kalibracji i niepewności. Energia emitowana nie jest dawką absorpcyjną; dawka dodatkowo wymaga energii zdeponowanej, masy odsłoniętego, typu promieniowania oraz wagi biologicznej.

Poziom 1 · Podstawy · Zestaw dydaktyczny

Zapisz badanie. Nauczaj rozumowania.

Karta laboratoryjna dla ucznia i przewodnik dla prowadzącego zamieniają model interaktywny w powtarzalne badanie.

Karta ucznia

Zapis rozpadu izotopów i detekcji

Jak upłynione okresy półtrwania wpływają na pozostałe jądra, obecną aktywność, całkowite transformacje i oczekiwaną liczbę detektorów?

Pobierz Markdown dla ucznia

Przewodnik prowadzącego

Nauczaj badania, nie interfejsu

Uczący się rozróżniają wykładniczy spadek populacji, aktywność obecną, transformacje zintegrowane, liczbę detektorów, emisyjną energię oraz dawkę.

Pobierz Markdown dla prowadzącego
Otwórz kompletny zestaw do druku →

Lekcja 1 z 3

Pierwiastki i izotopy

Jak atomy jednego pierwiastka mogą mieć różne masy?

Liczba protonów definiuje pierwiastek. Izotopy mają tę samą liczbę protonów, ale różną liczbę neutronów.

Niektóre zestawy izotopowe są trwałe; inne przekształcają się przez rozpad promieniotwórczy w konfiguracje o niższej energii.

proton · neutron · izotop · rozpad promieniotwórczy

Przykład rozwiązany

Węgiel-12 i węgiel-14 mają po sześć protonów. Czym się różnią?

  1. 1. Węgiel-12 ma łącznie 12 nukleonów, czyli 6 neutronów.
  2. 2. Węgiel-14 ma łącznie 14 nukleonów, czyli 8 neutronów.
  3. 3. Ich chemia jest podobna, ale trwałość jądrowa jest różna.

To izotopy węgla; węgiel-14 jest promieniotwórczy.

Spróbuj

Model izotopów z żetonów

Materiały: Monety albo papierowe żetony w dwóch kolorach.

  1. 1. Wybierz jeden kolor na protony, a drugi na neutrony.
  2. 2. Zbuduj kilka izotopów jednego pierwiastka.
  3. 3. Utrzymuj stałą liczbę protonów.
  4. 4. Porównaj łączne liczby nukleonów.

Zwróć uwagę: Tożsamość pierwiastka pozostaje stała, choć masa i trwałość jądra mogą się zmieniać.

Sprawdź, czy rozumiesz: Co się zmienia, gdy jeden izotop pierwiastka staje się innym izotopem tego samego pierwiastka?

Odpowiedź: Liczba neutronów.

Liczba protonów musi pozostać taka sama, aby tożsamość pierwiastka się nie zmieniła.

Lekcja 2 z 3

Energia wiązania i reakcje jądrowe

Dlaczego przebudowa jąder może uwolnić na atom znacznie więcej energii niż chemia?

Związane jądro ma mniejszą całkowitą masę-energię niż jego rozdzielone protony i neutrony. Ta różnica to energia wiązania, powiązana zależnością E = mc².

Rozszczepienie dzieli ciężkie jądra; fuzja łączy jądra lekkie. Oba procesy mogą przesuwać produkty ku konfiguracjom silniej związanym.

energia wiązania · deficyt masy · rozszczepienie · fuzja

Przykład rozwiązany

Produkty reakcji mają o 0,001 jednostki masy atomowej mniejszą masę niż substraty. Gdzie podziała się ta masa?

  1. 1. Masa jest jedną z postaci energii.
  2. 2. Mniejsza masa produktów odpowiada uwolnionej energii.
  3. 3. Zmierz całą energię kinetyczną i promieniowanie, aby domknąć bilans.

Różnica masy pojawia się jako inne postaci energii; zasada zachowania dotyczy całkowitej masy-energii.

Spróbuj

Krajobraz energii wiązania

Materiały: Kartka papieru oraz wydrukowana albo naszkicowana krzywa energii wiązania na nukleon.

  1. 1. Znajdź jądra lekkie.
  2. 2. Znajdź jądra z obszaru żelaza.
  3. 3. Znajdź jądra bardzo ciężkie.
  4. 4. Narysuj strzałki pokazujące, dlaczego zarówno fuzja, jak i rozszczepienie mogą uwalniać energię.

Zwróć uwagę: Oba procesy prowadzą ku jądrom silniej związanym, bliżej szczytu krzywej.

Sprawdź, czy rozumiesz: Czy E = mc² oznacza, że materia może zniknąć bez pojawienia się energii?

Odpowiedź: Nie.

Oznacza, że masa wnosi wkład do energii całkowitej; bilans reakcji musi obejmować każdą postać wyniku.

Lekcja 3 z 3

Promieniowanie, detektory i dawka

Jak mierzyć promieniowanie, nie myląc zliczeń, energii i skutku biologicznego?

Aktywność zlicza przemiany jądrowe na sekundę. Liczba zliczeń detektora zależy od geometrii i sprawności. Dawka pochłonięta mierzy energię zdeponowaną na jednostkę masy, a wagi biologiczne zależą od rodzaju promieniowania i tkanki.

Praca z promieniowaniem wymaga wyszkolonego nadzoru, kontrolowanych źródeł, zasady czas–odległość–osłona i przepisowych procedur bezpieczeństwa. Ten kurs korzysta z symulacji i danych publicznych, a nie ze źródeł.

aktywność · szybkość zliczeń · tło · dawka pochłonięta

Przykład rozwiązany

Detektor rejestruje 120 zliczeń w ciągu minuty, podczas gdy tło wynosi 90 zliczeń na minutę.

  1. 1. Zmierzona wartość całkowita: 120 zliczeń/min.
  2. 2. Oczekiwane tło: 90 zliczeń/min.
  3. 3. Prosta ocena netto: 30 zliczeń/min.
  4. 4. Zanim ogłosisz obecność źródła, porównaj rozrzut statystyczny w powtórzeniach.

Ocena po odjęciu tła to 30 zliczeń/min, ale niepewność i sprawność detektora nadal mają znaczenie.

Spróbuj

Symulacja zliczeń tła

Materiały: Dwie kostki do gry i arkusz do zapisywania wyników.

  1. 1. Rzuć obiema kostkami 30 razy jako seria tła.
  2. 2. Wybrany wynik uznaj za detekcję.
  3. 3. Powtórz to w kilku seriach.
  4. 4. Porównaj rozrzut, choć reguły ani razu się nie zmieniają.

Zwróć uwagę: Losowe dane zliczeniowe naturalnie fluktuują, więc jedna podwyższona seria może nie świadczyć o nowym źródle.

Sprawdź, czy rozumiesz: Dlaczego szybkość zliczeń detektora nie jest automatycznie tym samym co dawka biologiczna?

Odpowiedź: Same zliczenia nie mówią o energii zdeponowanej, rodzaju promieniowania, geometrii ani reakcji tkanki.

Dawka wymaga dodatkowych informacji fizycznych i biologicznych.

Idź dalej, do dowodów

Następna lektura, z jej źródłami