Rozszczepienie jądra atomowego

Zagadnienia

Rozszczepienie jądra atomowego
Fizyka jądrowa
Reakcja łańcuchowa
Jądra atomowe

Opis

Obserwuj rozszczepienie jądra atomowego w przypadku zbioru jąder lub pojedynczego jądra.

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

Ta symulacja Java jest uruchamiana (może to chwilę potrwać) w przeglądarce internetowej za pośrednictwem technologii o nazwie CheerpJ - nie wymaga instalowania żadnego dodatkowego oprogramowania. W stosunku do wersji offline jest nieco pogorszona jakość graficzna i okno aplikacji nie skaluje się.

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Sam McKagan, Noah S Podolefsky, czerwiec 2012)

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

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

Opisz, w jaki sposób neutron może przekazać energię jądru i spowodować jego rozszczepienie.
Wyjaśnij, jakie są produkty uboczne rozszczepienia.
Wyjaśnij, jak działa reakcja łańcuchowa i opisz wymagania dla utrzymującej się reakcji łańcuchowej, wystarczająco dużej, aby wyprodukować bombę (reakcja lawinowa).
Wyjaśnij, jak działa reaktor jądrowy i jak można wykorzystać pręty kontrolne do spowolnienia reakcji.

Przykładowe materiały teoretyczne

Przemiany jądrowe (ZPE)
Reakcje jądrowe (ZPE)
Rozszczepienie jąder (ZPE)
Reakcja rozszczepienia jądra uranu-235 (ZPE)
Reakcja łańcuchowa (ZPE)
Działanie elektrowni jądrowej (ZPE)
Podsumowanie wiadomości z fizyki jądrowej (ZPE)
Fizyka jądrowa (OpenStax)

Sterowanie symulacją

Zainicjuj reakcję łańcuchową lub wprowadź stabilne izotopy, aby temu zapobiec. Kontroluj produkcję energii w reaktorze jądrowym!

Ekran Rozszczepienie: jedno jądro

Wystrzel neutron w jądro uranu, aby spowodować rozszczepienie tego jądra. Po rozszczepieniu jądra uranu naciśnij Nowe jądro, aby rozpocząć od nowa.

Ekran Reakcja łańcuchowa

Dodaj osłonę zabezpieczającą, wypełnij zbiornik U-235 i U-238, a następnie odpal działo neutronowe, aby wywołać reakcję łańcuchową. Chwyć krawędź zbiornika i przeciągnij ją do środka lub na zewnątrz, aby zmienić jego rozmiar.

Ekran Reaktor jądrowy

Wystrzel neutrony, aby wywołać reakcję łańcuchową. Wysunięcie prętów kontrolnych poza reaktor pozwoli na szybsze rozprzestrzenianie się reakcji.

Złożone sterowanie

Można wstrzymać symulację, a następnie użyć funkcji Krok do stopniowej analizy.
Pamiętaj, aby wypróbować wszystkie karty w górnej części symulacji.

Ułatwienia dostępu

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.

Darmową wersję desktopową tej aplikacji (plik .jar) pobierzemy bezpośrednio klikając tu lub ze strony PhET (klikając tytuł lub ikony przy wybranej wersji językowej):

A następnie wybierając odpowiednią opcję:

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

W wywiadach stwierdziliśmy, że nawet uczniowie bez doświadczenia w naukach ścisłych byli w stanie zrozumieć podstawy fizyki jądrowej, bawiąc się tą symulacją. Jednak uczniowie nie byli w stanie zrozumieć wykresów bez odpowiednich instrukcji.
Na karcie Reakcja łańcuchowa uczniowie szybko dowiadują się, że U-235 przyczynia się do reakcji łańcuchowej, a U-238 nie. Zastanawiają się wówczas, dlaczego w symulacji uwzględniamy U-238. Potrzebne są dalsze instrukcje, aby wyjaśnić, że uran w realnym świecie to głównie U-238.
Uczniowie zazwyczaj potrafią zrozumieć, co dzieje się w zakładce Reaktor jądrowy, ale mogą nie zdawać sobie sprawy, że przedstawia to zasadę działania elektrowni jądrowej, chyba że im to wskażesz.

Uproszczenia / założenia modelu

Wersja polskia zawiera kilka niezręcznie przetłumaczonych pojęć. PhET nie wspiera już symulacji java, nowe tłumaczenie pojawi się więc dopiero gdy zostanie opublikowana wersja html5 tej aplikacji.

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.

Przykładowe polecenia

Opisz, w jaki sposób neutron może przekazać energię do jądra i spowodować jego rozszczepienie.
Wyjaśnij czym są produkty rozszczepienia.
Wyjaśnij, jak działa reakcja łańcuchowa i opisz wymagania dotyczące ciągłej reakcji łańcuchowej wystarczająco dużej, aby stworzyć bombę.
Co dzieje się z reakcją, gdy wzrasta udział jąder U-238? Wyjaśnij, dlaczego tak się dzieje.
Wyjaśnij, jak działa reaktor jądrowy i w jaki sposób pręty kontrolne mogą być używane do spowolnienia reakcji.
Diagramy słupkowe po prawej stronie pokazują moc wyjściową i wyprodukowaną energię. Jaka jest różnica między tymi dwiema wielkościami?

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Rozszczepienie jądra atomowego tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).