Budujemy jądro

Zagadnienia

• Fizyka jądrowa
• Rozpad jądrowy
• Izotop
• Tabela nuklidów
• Jądrowy model powłokowy

Opis

Jak zmiana liczby neutronów lub protonów wpływa na rodzaje jąder, ich stabilność i możliwe mechanizmy rozpadu? Eksploruj różne rodzaje i poznaj typowe sposoby rozpadu! Wizualizuj je za pomocą tabeli nuklidów i odkryj wewnętrzne poziomy energetyczne jądra.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Vargas i Rouinfar, październik 2023) oraz Model description.

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Wyjaśnij, w jaki sposób zmiana liczby neutronów lub protonów wpływa na liczbę atomową i rodzaje izotopów.
• Opisz, w jaki sposób różne rozpady zmieniają skład nukleonów w jądrze i czy zmienia to symbol przedstawianego atomu oraz wpływa na parametry takie jak liczba atomowa/masa atomowa.
• Przewiduj model powłokowy izotopu na podstawie symbolu lub nazwy izotopu.
• Znajdź izotop w tabeli nuklidów, używając symbolu, nazwy lub liczby protonów i neutronów.
• Przewiduj wynikowy izotop i ścieżkę rozpadu izotopu na podstawie jego położenia w tabeli nuklidów.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Fizyka jądrowa (OpenStax)
• Jądro atomowe i jego składniki (ZPE)
• Wstęp do fizyki jądra atomowego (Wikibooks)
• Jądro atomowe (Wikipedia)

Sterowanie symulacją

Symulacja Budujemy jądro pozwala uczniom zbadać, w jaki sposób zmiana liczby protonów i neutronów wpływa na nuklidy, stabilność jądra i możliwe mechanizmy jego rozpadu. Uczniowie mogą odkrywać i śledzić trendy stabilności i rozpadu izotopów.

Użytkownik może zbudować nuklid z protonów i neutronów. Zakłada się, że nuklid jest neutralny, ponieważ chmura elektronów zawiera tyle samo elektronów, co protonów.

Neutrony i protony można umieszczać w obszarze roboczym za pomocą przełączników znajdujących się obok nukleonów. Przełącznik między protonami i neutronami umieszcza jednocześnie proton i neutron w jądrze. Nukleony można również umieszczać, przeciągając je do jądra na ekranie Rozpad lub przeciągając je do obszaru poziomów energii na ekranie Wprowadzenie do tabeli. Jeśli nukleon zostanie umieszczony poza obszarem roboczym, powróci z powrotem.

Ekran Rozpad (link bezpośredni)

Zbuduj jądro z protonów i neutronów oraz odkryj ich wpływ na liczbę atomową i rodzaj. Ustal, w jaki sposób różne rozpady zmieniają nukleony w jądrze.

Ekran Wstęp do tabeli (link bezpośredni)

Zmień nukleony w jądrowym modelu powłokowym i obserwuj nuklidy oraz możliwe rozpady we fragmentarycznej wersji tabeli nuklidów.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Budujemy jądro chcesz ustawić początkową liczbę nukleonów na ekranie Rozpad na 40 protonów (decayScreenProtons=40) i 40 neutronów (decayScreenNeutrons=40), użyj: https://www.edukator.pl/simulations/build-a-nucleus_all.html?decayScreenProtons=40&decayScreenNeutrons=40

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/simulations/build-a-nucleus_all.html?locale=pl&decayScreenProtons=40&decayScreenNeutrons=40

Wskazuje, że dostęp do tego dostosowania można uzyskać też z menu Preferencje w symulacji.

Parametr query i opis	Przykłady
decayScreenNeutrons - określa liczbę neutronów w jądrze na ekranie Rozpad. Wartości od 0 (domyślnie) do 146 są dozwolone, ale musi skutkować istniejącymi nuklidami. W razie potrzeby użyj z decayScreenProtons.	decayScreenNeutrons=6 decayScreenNeutrons=28&decayScreenProtons=20
decayScreenProtons - określa liczbę protonów w jądrze na ekranie Rozpad. Wartości od 0 (domyślnie) do 94 są dozwolone, ale musi skutkować istniejącymi nuklidami. W razie potrzeby użyj z decayScreenNeutrons.	decayScreenProtons=1 decayScreenProtons=20&decayScreenNeutrons=28
chartIntroScreenNeutrons - określa liczbę neutronów w jądrze na ekranie Wstęp do tabeli. Wartości od 0 (domyślnie) do 12 są dozwolone, ale musi skutkować istniejącymi nuklidami. W razie potrzeby użyj z chartIntroScreenProtons.	chartIntroScreenNeutrons=4 chartIntroScreenNeutrons=12&chartIntroScreenProtons=4
chartIntroScreenProtons - określa liczbę neutronów w jądrze na ekranie Wstęp do tabeli. Wartości od 0 (domyślnie) do 10 są dozwolone, ale musi skutkować istniejącymi nuklidami. W razie potrzeby użyj z chartIntroScreenNeutrons.	chartIntroScreenProtons=1 chartIntroScreenProtons=4&chartIntroScreenNeutrons=12
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=2,1 screens=1
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false
supportsPanAndZoom - gdy true, umożliwia przesuwanie i powiększanie symulacji za pomocą pinch-to-zoom lub elementów sterujących zoomem przeglądarki.	supportsPanAndZoom=false

Ułatwienia dostępu

Sterowanie za pomocą klawiatury - skróty klawiszowe

Generalnie sterujemy symulacją za pomocą myszy lub dotyku. Alternatywnie uczniowie mogą też nawigować i sterować elementami interaktywnymi za pomocą klawiatury. Po kliknięciu otworzy się okno z listą obsługiwanych skrótów.

Tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.
Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

• Niektóre izotopy nie tworzą się, więc ogólnym sposobem na szybkie osiągnięcie większych izotopów na ekranie Rozpad jest użycie kombinacji dodawania protonów i neutronów w tym samym czasie (najłatwiej za pomocą przycisku podwójnej strzałki) oraz dodawanie wielu kolejnych neutronów.
• Na ekranie Wstęp do tabeli uczniowie mogą nie zauważyć znaczenia lub różnicy między nukleonami walencyjnymi i niewalencyjnymi, gdzie tylko nukleony walencyjne są interaktywne i dlatego są dalej od siebie na swoich poziomach energetycznych.
• Uczniowie mogą początkowo nie rozumieć znaczenia liczb magicznych, przy których zwiększa się stabilność izotopów, zwłaszcza izotopów, dla których zarówno liczba neutronów, jak i protonów są liczbami magicznymi, znanymi jako nuklidy podwójnie magiczne.

Uproszczenia modelu

• Szczegóły techniczne dotyczące modelu bazowego można znaleźć tutaj.
• Tylko nuklidy istniejące na Ziemi mogą być konstruowane, co jest realizowane poprzez wyłączenie strzałek, a także poprzez krótkie wyświetlenie komunikatu "{{nazwa nuklidu}} nie tworzy się", gdy nuklid, który nie istnieje, jest budowany, a następnie jądro zmienia się z powrotem w ostatnio utworzony nuklid.
• W symulacji reprezentowanych jest pięć typów rozpadów: rozpad α, rozpad β+, rozpad β-, emisja protonu i emisja neutronu. Niestabilne nuklidy rozpadają się na stabilne nuklidy poprzez jeden z tych typów rozpadu.
• Chociaż rozpady mogą wiązać się z występowaniem neutrin, ten aspekt wykracza poza zakres symulacji i dlatego nie jest tutaj przedstawiony.
• Rozmiar cząstek nie jest skalowany, a ich rozmieszczenie nie jest całkowicie dokładne. Zostało to zrobione, aby cząstki mogły być łatwo widoczne i manipulowane przez użytkowników.
• Rozmiar chmury elektronów jest oparty na danych eksperymentalnych promieni atomowych pierwiastków, ale został dostosowany tak, aby chmura elektronów wyglądała na pożądany rozmiar.

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

• Przeglądaj nuklidy i różne rozpady na ekranie Rozpad. Określ, które nuklidy są bardziej stabilne, a które mniej, korzystając ze skali czasu połowicznego rozpadu. Określ, jak zmienia się jądro przy każdym typie rozpadu.
• Zbadaj fragmenty tabeli nuklidów na ekranie Wstęp do tabeli, zmieniając nukleony w jądrowym modelu powłokowym. "Powiększ" częściową tabelę nuklidów i dokonaj rozpadu nuklidu, aby przejść przez tabelę. Określ, które nukleony na poziomach energetycznych zostały zmienione.

Przykładowe polecenia

• Na ekranie Rozpad zbuduj niestabilny izotop z dostępnym rozpadem. Korzystając z symboli ikon rozpadu, określ końcowy symbol izotopu powstałego w wyniku tego rozpadu.
• Biorąc pod uwagę izotop z 12 lub mniej protonami i 12 lub mniej neutronami, określ model powłokowy dla tego jądra. Ile nukleonów znajdowałoby się na każdym poziomie energetycznym?
• Na ekranie Wstęp do tabeli zbuduj niestabilny izotop. Korzystając z jego położenia w tabeli, określ równanie rozpadu izotopu i przewiduj jego położenie w tabeli po rozpadzie.
• Podświetl liczby magiczne w tabeli. Po zbudowaniu kilku izotopów przedyskutuj z kolegą lub koleżanką, czym są liczby magiczne.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Budujemy jądro tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).