Chế tạo một số thiết bị đơn giản biểu diễn thí nghiệm phát hiện phóng xạ đề phục vụ cho quá trình giảng dạy vật lý ở thpt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÍ PHẠM THIÊN LỘC CHẾ TẠO MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐƠN GIẢN BIỂU DIỄN THÍ NGHIỆM PHÁT HIỆN PHĨNG XẠ ĐỂ PHỤC VỤ CHO Q TRÌNH GIẢNG DẠY VẬT LÝ Ở THPT KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TP HỒ CHÍ MINH – 5/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÍ PHẠM THIÊN LỘC CHẾ TẠO MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐƠN GIẢN BIỂU DIỄN THÍ NGHIỆM PHÁT HIỆN PHĨNG XẠ ĐỂ PHỤC VỤ CHO QUÁ TRÌNH GIẢNG DẠY VẬT LÝ Ở THPT Chun ngành: Sư phạm Vật lí KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC THS LÊ ANH ĐỨC TP HỒ CHÍ MINH – 5/2021 Lời cảm ơn Lời đầu tiên, tơi xin phép bày tỏ lịng biết ơn giảng viên hướng dẫn ThS Lê Anh Đức Trong suốt trình thực khóa luận, động viên hỗ trợ từ Thầy giúp tơi vượt qua khó khăn để hồn thành khóa luận Tiếp theo, tơi muốn gửi lời cảm ơn đến bạn sinh viên khoa Vật lý Các bạn trao đổi số vấn đề liên quan đến luận văn động viên tơi vào lúc khó khăn Bên cạnh đó, tơi muốn gửi lời cảm ơn tới tất Thầy, Cô khoa Vật lý học trường ĐHSP TPHCM truyền đạt cho tơi nhiều kiến thức niềm yêu thích môn Lý suốt năm qua Cuối cùng, tơi muốn dành lời cảm ơn đến gia đình người bạn thân ln chia sẻ với tơi khó khăn suốt thời gian vừa qua Xin chân thành cảm ơn TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2021 Tác giả Phạm Thiên Lộc i MỤC LỤC Lời cảm ơn i MỤC LỤC ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v MỞ ĐẦU Chương I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Lịch sử khái niệm phóng xạ 1.2 Phân rã α (alpha) 1.2.1 Khái niệm phân rã alpha 1.2.2 Các tính chất phân rã alpha 1.3 Phân rã Beta 1.3.1 Phân rã β- 1.3.2 Phân rã β+ 1.3.3 Các tính chất phân rã beta 1.4 Dịch chuyển Gamma 10 1.5 Tương tác xạ với vật chất 11 1.5.1 Tương tác hạt α (alpha) với vật chất 11 1.5.2 Tương tác electron với vật chất 13 1.5.3 Tương tác xạ gamma với vật chất 15 1.6 Một số loại hình thí nghiệm vật lí 16 1.6.1 Thí nghiệm biểu diễn 16 1.6.2 Thí nghiệm thực hành 18 1.6.3 Thí nghiệm tự tạo 18 ii Chương II: TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐƠN GIẢN PHÁT HIỆN PHÓNG XẠ 20 2.1 Cao áp đánh lửa sử dụng nguồn điện máy biến 20 2.2 Các điện cực đơn giản từ đầu tua-vít 21 2.3 Webcam phát phóng xạ 22 2.4 “Buồng sương Wilson” sử dụng đá khô 23 Chương III: 3.1 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ 25 Cao áp đánh lửa 25 3.1.1 Cấu tạo 25 3.1.2 Sơ đồ cấu tạo vào cách lắp ghép 30 3.1.3 Nguyên lý hoạt động 31 3.1.4 Sử dụng thiết bị thí nghiệm biểu diễn “Phóng xạ” 32 3.2 Buồng ion phát phóng xạ 35 3.2.1 Cấu tạo 35 3.2.2 Sơ đồ cấu tạo cách lắp ghép 41 3.2.3 Nguyên lí hoạt động 42 3.2.4 Sử dụng thiết bị thí nghiệm biểu diễn “Phóng xạ” 42 Chương IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 4.1 Kết luận 46 4.2 Kiến nghị 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 Tiếng Việt 47 Tiếng Anh 47 Internet 48 iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nội dung TPHCM Thành phố Hồ Chí Minh ĐHSP Đại học sư phạm THPT Trung học phổ thông GV Giáo viên HS Học sinh TN Thí nghiệm PPDH Phương pháp dạy học DH Dạy học TNTT Thí nghiệm tự tạo PX Phóng xạ iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ STT Hình 1.1 Nội dung α 222 Sơ đồ phân rã Ra226 88 → Rn86 + He2 Trang Sự phụ thuộc số phân rã λ hạt nhân phân rã 1.2 alpha vào quãng chạy R hạt alpha ba dãy U238 , Th232 , U235 42 Minh hoạ sơ đồ phân rã beta K19 thành Ca42 20 1.3 1.4 1.5 Sự phụ thuộc số cặp bị ion hóa với quãng chạy 13 1.6 Đặc trưng hấp thụ tia Beta 13 1.7 Quy luật giảm cường độ xạ γ theo hàm mũ 15 2.1 Cao áp đánh lửa sử dụng nguồn điện máy biến 20 2.2 Hai điện cực đơn giản đầu tua vít 21 10 2.3 Webcam phát phóng xạ 22 11 2.4 Các tia alpha beta tác dụng lên cảm biến 23 12 2.5 “Buồng sương Wilson” sử dụng đá khô 23 13 3.1 Thiết bị cao áp đánh lửa 25 14 3.2 Sơ đồ cấu tạo cao áp đánh lửa 30 15 3.3 Cơng tắc đóng 32 16 3.4 Nguồn phóng xạ đặt gần anot catot 33 17 3.5 Nguồn phóng xạ đặt xa anot catot 33 18 3.6 Giấy mỏng chắn ngang nguồn điện cực 34 19 3.7 Buồng ion hóa phát phóng xạ 35 20 3.8 Sơ đồ cấu tạo buồng ion hóa phát phóng xạ 41 21 3.9 Sơ đồ hệ transitor nối tiếp 41 22 3.10 Jack cắm cắm vào pin 43 23 3.11 Đồng hồ đo chế độ Vôn chiều 43 24 3.12 Số Vôn kế lần 44 Qng chạy hạt alpha khơng khí phụ thuộc vào lượng v 12 25 3.13 Nguồn phóng xạ đặt bên buồng ion hóa 44 26 3.14 Số Vôn kế lần 45 vi MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Thực thí nghiệm vật lí nhà trường biện pháp quan trọng để nâng cao chất lượng dạy học Vật lí Điều định đặc điểm khoa học Vật lí vốn khoa học thực nghiệm nguyên tắc dạy học nguyên tắc trực quan, kiến thức cần phải có thí nghiệm để minh hoạ, kiểm nghiệm Việc đại hoá phương tiện, thiết bị dạy học mơn Vật lí vấn đề mà tất giáo viên quan tâm mong muốn Nhưng điều lại phụ thuộc lớn vào điều kiện sơ vật chất kĩ thuật trường, địa phương Các thiết bị thường đắt tiền, khó mua sắm, dễ hư hỏng khơng bảo quản tốt Đồng thời, sử dụng không mục đích khơng phát huy hết tính hiệu thấp, khơng tương xứng với chí phí bỏ Do đó, với tăng cường sở vật chất đại việc khai thác thí nghiệm rẻ tiền dụng cụ tự tìm kiếm xu phù hợp với tình hình Nó vừa giải tình trạng thiếu thiết bị Việt Nam, vừa giải vấn đề sư phạm hướng dẫn học sinh làm thí nghiệm mà phương tiện đại khơng có ưu Trong chương trình vật lí phổ thơng, khơng có thí nghiệm “Phóng xạ” để học sinh biết xuất tia phóng xạ Nhưng thiết bị đơn giản, thực thiết kế thí nghiệm để phát tia phóng xạ chí ghi nhận số đếm thơng qua tính chất chúng như: ion hóa khơng khí, tương tác với vật chất, Việc làm giúp cho phần Vật lí hạt nhân chương trình phổ thơng khơng cịn trừu tượng mà trở nên trực quan, hấp dẫn Đặc biệt, việc thực thí nghiệm Vật lí phù hợp với đặc điểm tâm – sinh lí khả nhận thức học sinh, đồng thời tạo điều kiện rèn luyện cho học sinh kỹ thực hành thái độ ứng xử thực hành, cần thiết cho việc học tập Vật lí cấp học Mục đích nghiên cứu Chế tạo số thiết bị đơn giản biểu diễn thí nghiệm phát phóng xạ phục vụ cho q trình giảng dạy Vật lí THPT Đối tượng nghiên cứu +Cơ sở lí luận thí nghiệm vật lí +Phương pháp dạy học vật lí có sử dụng thí nghiệm biểu diễn, thí nghiệm kiểm chứng Nội dung kiến thức thuộc chủ đề “Phóng xạ” +Cơ sở lí thuyết số thiết bị ứng dụng kiến thức phóng xạ Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt mục đích nghiên cứu đề tài, tác giả thực nhiệm vụ sau: Nhiệm vụ 1: Xây dựng sở lí thuyết cho đề tài Nghiên cứu lí thuyết phóng xạ đặc điểm trượng phóng xạ Nhiệm vụ 2: Tìm hiểu số thiết bị phát xuất tia phóng xạ đơn giản giới có + Tìm kiếm Internet thiết bị dùng để phát phóng xạ +Tìm hiểu cấu tạo ngun lí hoạt động thiết bị Nhiệm vụ 3: Thiết kế chế tạo thiết bị + Lựa chọn đặc điểm tính chất tia phóng xạ để khai thác, xây dựng hệ thống thiết bị + Vẽ sơ đồ cấu tạo + Lựa chọn vật liệu đơn giản, gần gũi dễ tìm + Lắp ráp, hoàn thiện thiết bị dựa sơ đồ cấu tạo + Thử nghiệm khắc phục lỗi sản phẩm + Bước 7: Đưa nguồn phóng xạ lại gần điện cực dùng tờ giấy mỏng chắn ngang nguồn điện cực Hình 3.6 Giấy mỏng chắn ngang nguồn điện cực + Bước 8: Quan sát tượng xảy có tờ giấy chắn ngang c) Kết thí nghiệm kết luận Khi đưa nguồn PX lại gần ta thấy có xuất tia lửa điện Chứng tỏ hạt alpha ion hóa lớp khơng khí điện cực tạo hiệu ứng thác lũ điện tử biểu xuất tia lửa điện  Thí nghiệm kiểm chứng tính ion hóa khơng khí hạt alpha Khi đưa nguồn PX xa tia lửa điện khơng cịn Ngay vị trí mà nguồn PX khơng gây tượng phóng điện điện cực ta có khoảng cách từ nguồn PX đến anot quãng chạy hạt alpha khơng khí  Thí nghiệm kiểm chứng qng chạy hạt alpha khơng khí Khi đưa nguồn PX lại gần điện cực che chắn tờ giấy mỏng khơng thấy xuất hiện tượng phóng điện điện cực Chứng tỏ hạt alpha xuyên qua tờ giấy mỏng  Thí nghiệm kiểm chứng tính đâm xuyên hạt alpha 34 3.2 Buồng ion phát phóng xạ 3.2.1 Cấu tạo a) Thiết bị hồn chỉnh Hình 3.7 Buồng ion hóa phát phóng xạ 35 (1) Pin vuông 9V (2) Jack cắm pin nối với hệ thống (3) Catot vỏ trụ nhôm (4) Điện trở kΩ (5), (6) Transitor NPN BC546B (7) Cút nối dây điện (8) Đồng hồ đo điện tử đa (9) Anot lõi đồng b) Bảng cấu tạo chi tiết Số thứ Tên hình ảnh Thơng số kĩ thuật công dụng tự  Thông số kỹ thuật • Kích thước: 25 x 45mm • Hãng: GOLITE (China) • Điện áp: 9V • Chất liệu: Cacbon  Công dụng • Cung cấp hiệu điện 9V đầu vào hệ thống Pin vuông Golite 9V  Cơng dụng • Jack cắm nối với pin 9V công tắc nguồn cho hệ thống 36 Jack cắm pin 9V  Thơng số kỹ thuật • Chất liệu: nhơm • Đường kính: cm • Chiều cao: 10cm  Cơng dụng • Nối với cực dương pin đóng vai trị Catot Catot vỏ trụ nhôm (lon sữa) 37  Thông số kỹ thuật • Trở kháng: 1K ohm • Mã màu: Nâu / Đen / Đỏ / Vàng • Loại phim: carbon • Điện áp hoạt động tối đa: 350V • Nhiệt độ hoạt động -55C - + 155C • Kích thước đường kính thân 2.3mm Điện trở (Resistor) 1K Ω • Chiều dài thân 6mm • Chiều dài chì 28mm • Đường kính chì 0,55mm  Cơng dụng • Cản trở dòng điện, hạn chế dòng điện chảy mạch  Thơng số kỹ thuật • Loại bán dẫn NPN • Dịng điện - Bộ thu (Ic) (Tối đa) 100mA • Điện áp - Sự cố máy phát thu (Tối đa) 65V • 5, Bão hịa Vce (Tối đa) @ Ib, Ic 600mV @ 5mA, 100mA • Độ lợi dịng điện DC (hFE) (Tối thiểu) @ Ic, Vce 200 @ 2mA, 5V Transitor BC546B TO92 • Cơng suất - Tối đa 500mW • Tần số - Chuyển tiếp 300MHz • Loại lắp qua lỗ • Gói / Trường hợp TO-226-3, TO92-3 (TO-226AA) • 38 Gói thiết bị nhà cung cấp TO- 92-3  Cơng dụng • Khuếch đại dịng điện Ic có xuất dịng Ib mạch điện Sơ đồ cấu tạo transitor NPN (nguồn ảnh https://banlinhkiendientu.vn/toan-tap-vetransistor/)  Thơng số kỹ thuật • Kích thước: khoảng 20 * 17,5 * 13,5mm • Màu sắc: Màu trắng  Cơng dụng • Cút nối dây điện Làm tiếp điểm kết nối nhanh vôn kế hệ thống  Thơng số kỹ thuật • Điện dung: 4nF （± 5.0% + 4), 40nF （± 2.5% + 4）, 400nF / 4.000uF / 40.00uF / 400.0uF / 1000uF / 4000uF (3.5% + 4） • Vơn DC: 400mV / 4V / 40V (± 0,5% + 4), 400V / 600V (± 0,8% + 4) • 39 Vơn AC: 400mV (± 1,5% + 4), 4V / 40V / 400V (± 1,2% + 4), 600V (± 1,5% + 4) • Điện trở: 400Ω / 4K / 40K / 400K / 4M (± 0,8% + 4), 40MΩ (± 2,0% + 4) • Tần số: 99,5 / 999,5 / 9,999k / 99,99k / 999,9k / 9,999MHz (± 0,08% + 2) • Chu kỳ nhiệm vụ: 0,1% đến 99,9% (± 0,08% + 2) • Chỉ báo phạm vi: OL • Mơi trường làm việc: ~ 40 ℃, độ ẩm tương đối & lt; 80% Đồng hồ đo đa tự động • Phạm vi tự động: có • Tốc độ lấy mẫu: lần / s  Cơng dụng • Dùng để đo hiệu điện UCE đầu ngõ hệ thống  Thơng số kỹ thuật • Chất liệu: Đồng • Đường kính: mm • Chiều dài: 7cm  Cơng dụng • Lõi đồng Anot 40 Sử dụng làm điện cực Anot 3.2.2 Sơ đồ cấu tạo cách lắp ghép Hình 3.8 Sơ đồ cấu tạo buồng ion hóa phát phóng xạ Dùng hàn thiếc để nối tiếp transitors lại với sau: o Chân E trasitor số nối với chân B transitor số o Chân C trasitor số nối với chân C transitor số Hình 3.9 Sơ đồ hệ transitor nối tiếp Ta thu hệ transitor nối tiếp Khoan lỗ nhỏ vỏ hộp kim loại để đưa anot vào hộp Chân B transitor số nối với đồng đưa vào bên vỏ hộp thông qua lỗ nhỏ vừa khoan, ta có điện cực anot 41 Dùng keo nến cố định hệ transitors vỏ hộp kim loại Nối chân C hệ transitors, cực âm tiếp điểm nhựa màu trắng Nối dây jack cắm âm (màu đen) với chân E transitor số Hàn chân điện trở 1K ohm vào vỏ hộp kim loại Chập dây dương jack cắm (màu đỏ) chân lại điện trở vào cực dương tiếp điểm nhựa màu trắng Chập đầu vôn kế vào tiếp điểm nhựa màu trắng theo cực âm, dương 3.2.3 Nguyên lí hoạt động Khi cắm jack cắm vào pin, mạch xuất hiệu điện điện cực UBE kim loại vỏ hộp Lúc này, ta đưa nguồn phóng xạ vào bên hộp kim loại, tia phóng xạ ion hố khơng khí bên trong hộp thành hạt mang điện chạy điện cực, số lượng phân tử khí bị ion hố tỉ lệ với dòng điện IB xuất mạch Dòng điện IB qua transitor khuếch đại thành dòng Ic chạy đầu vơn kế Từ ta đo hiệu điện đầu 3.2.4 Sử dụng thiết bị thí nghiệm biểu diễn “Phóng xạ” a) Mục đích thí nghiệm Thí nghiệm nhằm phát xạ hạt mang điện thông qua tác dụng ion hóa khơng khí chúng, biểu qua xuất dòng điện b) Tiến hành thí nghiệm + Bước 1: Giới thiệu thành phần có thiết bị ngun lí hoạt động + Bước 2: Cắm jack cắm vào pin 42 Hình 3.10 Jack cắm cắm vào pin + Bước 3: Bật đồng hồ đo đa sang chế độ đo Vơn chiều Hình 3.11 Đồng hồ đo chế độ Vôn chiều 43 + Bước 4: Quan sát số Vôn kế đơn vị đo hiển thị Hình 3.12 Số Vơn kế lần + Bước 5: Đưa nguồn PX vào bên buồng ion hóa Hình 3.13 Nguồn phóng xạ đặt bên buồng ion hóa 44 + Bước 6: Quan sát số Vơn kế đơn vị hiển thị có nguồn PX đặt vào buồng ion Hình 3.14 Số Vơn kế lần c) Kết thí nghiệm kết luận Khi đưa nguồn PX vào buồng ion hóa ta thấy số Vôn kế tăng từ 247.2 mV đến 1.351 V chứng tỏ hạt alpha ion hóa phân từ khí buồng tạo dòng điện điện cực Dòng điện tỉ lệ với số Vơn kế  Thí nghiệm kiểm chứng tính ion hóa khơng khí hạt alpha 45 Chương IV: 4.1 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Thiết bị chúng tơi có giá thành rẻ, có độ bền cao an tồn nên khơng gây nguy hiểm làm thí nghiệm Đồng thời cách vận hành đơn giản Với thiết bị này, “Phóng xạ” chương trình Vật lý THPT trở nên đầy đủ hoàn thiện có thí nghiệm biểu diễn, qua kiểm chứng tính ion hóa khơng khí, qng chạy khơng khí tính đâm xun hạt alpha Khi thực thí nghiệm trên, giáo viên cần đảm bảo quy tắc an toàn tiếp xúc với nguồn PX quy tắc an toàn điện Nên sử dụng PX tự nhiên, hoạt độ thấp để không gây nguy hiểm cho người tiếp xúc phù hợp với môi trường sư phạm 4.2 Kiến nghị Với tiện lợi, nhỏ gọn an tồn tơi mong thiết bị sớm đưa vào chương trình giảng dạy Vật lý “Phóng xạ” để học trở nên sinh động hấp dẫn hơn, phù hợp tính thực nghiệm mơn học Nếu có nhiều nguồn phóng xạ alpha, beta thay đổi để so sánh hoạt độ chúng thông qua mật độ tia lửa điện hay số Vôn kế 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Ngô Quang Huy, Cơ sở Vật lý hạt nhân, NXB Khoa học Kỹ thuật [2] Nguyễn Triệu Tú (2006), Ghi nhận đo lường xạ, NXB ĐHQG Hà Nội [3] Nguyễn Đức Thâm (chủ biên) - Nguyễn Ngọc Hưng - Phạm Xuân Quế (2002), Phương pháp dạy học vật lí trường phổ thông, NXB Đại học Sư Phạm [4] Nguyễn Mạnh Hùng (2001), Phương pháp dạy học vật lí trường trung học phổ thơng, Khoa Vật Lí, Trường Đại học Sư phạm TPHCM [5] Lê Cao Phan (2006), Xây dựng sử dụng thí nghiệm vật lí tự làm nhằm tích cực hóa hoạt động học tập học sinh trung học sở, Luận án tiến sĩ, Đại học Vinh [6] Nguyễn Hoàng Anh (2015), Xây dựng sử dụng thí nghiệm tự tạo theo hướng tích cực hóa hoạt động nhận thức hoạc sinh dạy học phần “Cơ học” vật lí 12 nâng cao, Luận án tiến sĩ giáo dục học [7] Nguyễn Minh Duy (2020), Cải tiến sử dụng thí nghiệm nhằm khắc phục quan niệm sai lầm phóng xạ cho học sinh lớp 12, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Sư Phạm TPHCM Tiếng Anh [8] H Joachim Wilke, Experimente zum Selbstbauen In Physik Journal.08 / 2004 Seite: 89 [9] H Hilscher [Red.]; unter Mitarbeit von: C Berthold, D Binzer, G Braam, J Haubrich, M Herfert, H Hilscher, J Kraus, Ch Möller (2004): Physikalische Freihandexperimente Köln (Aulis - Verl Deubner) [10] H Joachim Schlichting, Hands- on, Low- cost, Freihand – Experimente zwischen Alltag und Physikunterricht In: Physik in der Schule 38 Jg (2000), H 4, S 255–259 [11]: Zani (2016), “Wilson Cloud Chamber” G Dept of Physics, Brown University, RI USA [12]: Das Gupta, N N.; Ghosh S K (1946) "A Report on the Wilson Cloud Chamber and its Applications in Physics" Reviews of Modern Physics 47 Internet [13] , truy cập 12/03/2021 [14] , truy cập 12/03/2021 48