Cải tiến và sử dụng các thí nghiệm để dạy học một số kiến thức về phóng xạ nhằm khắc phục quan niệm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Minh Duy CẢI TIẾN VÀ SỬ DỤNG CÁC THÍ NGHIỆM ĐỂ DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ PHÓNG XẠ NHẰM KHẮC PHỤC QUAN NIỆM S

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Nguyễn Minh Duy

CẢI TIẾN VÀ SỬ DỤNG CÁC THÍ NGHIỆM ĐỂ DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ PHÓNG XẠ NHẰM KHẮC PHỤC QUAN NIỆM SAI LẦM VỀ

PHÓNG XẠ CHO HỌC SINH LỚP 12

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Nguyễn Minh Duy

CẢI TIẾN VÀ SỬ DỤNG CÁC THÍ NGHIỆM ĐỂ DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ PHÓNG XẠ NHẰM KHẮC PHỤC QUAN NIỆM SAI LẦM VỀ

PHÓNG XẠ CHO HỌC SINH LỚP 12

Chuyên ngành: Sư phạm Vật lí

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TH.S LÊ ANH ĐỨC

Lời Cảm ơn

Trong qua trình thực hiện và hoàn thành khóa luận, tôi đã nhận được sự quan tâm

và giúp đỡ rất lớn thì quý Thầy, Cô, gia đình và bạn bè Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Th.S Lê Anh Đức đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, quý Thầy, Cô và các em học sinh trường Trung Học Thực Hành ĐHSP đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong việc điều tra, khảo sát và thực nghiệm sư phạm

Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh, giúp đỡ và hỗ trợ tôi hoàn thành khóa luận của mình

Chân thành cảm ơn!

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1: Hiệu ứng quang điện 15

Hình 1-2: Tán xạ Compton 16

Hình 1-3: Hiệu ứng tạo cặp 17

Hình 1-4: Sơ đồ các quá trình dịch chuyển electron trong tinh thể vô cơ 19

Hình 1-5: Sơ đồ cấu tạo của ống nhân quang điện 22

Hình 2-1: Nguyên vật liệu để chế tạo ―Buồng sương Wilson‖ sử dụng đá khô [1] 25

Hình 2-2: Sò nóng lạnh đã được nối với phích cắm điện 28

Hình 2-3: Các vệt tia phóng xạ 29

Hình 2-4: Mặt trước của máy đếm 30

Hình 2-5: Đầu dò nhấp nháy Model 44-10 32

Hình 2-6:Bộ nguồn chuẩn 32

Hình 2-7: Bộ chứa nguồn 33

Hình 2-8: Bộ vật liệu che chắn 33

Hình 2-9: Sơ đồ thí nghiệm ―Khảo sát tính chất đâm xuyên của tia gamma‖ 34

Hình 3-1: Giáo viên giới thiệu về thí nghiệm ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖ 51

Hình 3-2: Học sinh nhóm A tiến hành thí nghiệm 52

Hình 3-3: Học sinh nhóm B tiến hành thí nghiệm 52

Hình 3-4: Giáo viên giới thiệu về thí nghiệm ―Buồng sương Wilson‖ 53

Hình 3-5: Giáo viên lắp ráp thí nghiệm ―Buồng sương Wilson‖ 53

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1-1: Kết quả khảo sát quan niệm của học sinh lớp 12.4 về phóng xạ 4

Bảng 2-1: Thông tin về nguồn phóng xạ 33

Bảng 3-1: Tóm tắt tiến trình dạy học 50

Bảng 3-2: Kết quả khảo sát quan niệm của học sinh lớp 12.1 về phóng xạ 54

MỤC LỤC CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ

NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI “PHÓNG XẠ” VẬT LÍ 12 3

1.1 Các quan niệm về phóng xạ 3

1.1.1 Các quan niệm về phóng xạ của học sinh ngoài nước 3

1.1.2 Các quan niệm về phóng xạ của học sinh trong nước 4

1.2 Phân tích nội dung kiến thức bài ―Phóng xạ‖ 6

1.3 Thí nghiệm vật lí 7

1.3.1 Khái niệm thí nghiệm vật lí 7

1.3.2 Chức năng của thí nghiệm vật lí 7

1.3.3 Một số loại hình thí nghiệm vật lí 9

1.4 Các thí nghiệm ứng dụng trong dạy học chương ―Nguyên tử hạt nhân‖ 13

1.4.1 Buồng sương Wilson 13

1.4.2 Thí nghiệm ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖ 14

CHƯƠNG II CẢI TIẾN VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI “PHÓNG XẠ” VẬT LÍ 12 24

2.1 Thí nghiệm ―Buồng sương Wilson‖ 24

2.1.1 Mục đích thí nghiệm 24

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thí nghiệm 24

2.1.4 Cải tiến thí nghiệm 25

2.2 Thí nghiệm ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖ 30

2.2.1 Mục đích thí nghiệm 30

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thí nghiệm 30

2.2.3 Các bước tiến hành thí nghiệm 34

2.3 Giáo án dạy học chuyên đề phóng xạ 34

2.3.1 Mục tiêu 34

2.3.2 Phương pháp dạy học 35

2.3.3 Phương tiện dạy học 35

2.3.4 Tiến trình dạy học 37

2.3.5 Củng cố 46

CHƯƠNG III THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 48

3.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm 48

3.2 Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm 48

3.3 Đối tượng thực nghiệm sư phạm 48

3.4 Phương pháp thực nghiệm sư phạm 48

3.5 Những thuận lợi và khó khăn gặp phải khi tiến hành thực nghiệm sư phạm 49

3.5.1 Thuận lợi 49

3.5.2 Khó khăn 49

3.6 Kế hoạch dự kiến TNSP 49

3.7 Diễn biến thực nghiệm sư phạm 49

3.8 Kết quả khảo sát của lớp 12.1 54

3.9 Đánh giá kết quả TNSP 56

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Vật lí là một môn khoa học thực nghiệm Những định luật hay thuyết vật lí chỉ được công nhận khi được kiểm chứng bằng các TN Trong dạy học môn vật lí ở các trường trung học, TN luôn đóng một vai trò cực kì quan trọng, giúp học sinh lĩnh ngộ

và nắm giữ các kiến thức, kĩ năng Tuy nhiên, việc sử dụng TN trong dạy học vẫn còn nhiều khó khăn và hạn chế đặc biệt là chương ―Hạt nhân nguyên tử‖ ở chương trình vật lí 12

Bên cạnh đó, đã có những nghiên cứu chỉ ra rằng ở học sinh, sinh viên có nhiều

quan niệm sai lầm về phóng xạ như: ―Phóng xạ là sản phẩm nhân tạo”[18], “Phóng xạ luôn gây nguy hiểm”[22],… dù hầu hết những học sinh, sinh viên này đều ở những quốc

gia có nền công nghệ hạt nhân tiên tiến

Trên thực tế, đã có nhiều công trình nghiên cứu về TN phóng xạ có thể thực hiện tại lớp như ―Chế tạo buồng sương bể cá‖ của Frances[28], ―Chế tạo buồng sương với đá Gel‖ của Masahiro Kamata and Miki Kubota[29]

hay bài luận văn ―Chế tạo và sử dụng buồng sương Wilson trong dạy học bài ―phóng xạ‖ vật lí 12‖ của Trần Nguyễn Hoàng Duy[1] Tuy nhiên, điểm chung của các TN trên là đều sử dụng đá khô hoặc đá Gel, những dụng cụ này có gây một số khó khăn cho công tác quản lý và sử dụng TN trong

trường học Do đó, chúng tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài ―Cải tiến và sử dụng các thí

nghiệm để dạy học một số kiến thức về phóng xạ nhằm khắc phục quan niệm sai lầm về phóng xạ cho học sinh lớp 12” với mong muốn góp phần nâng cao hiệu quả

dạy học phóng xạ ở trường học và khắc phục những quan niệm sai lầm của học sinh ở trường học

2 Mục đích của đề tài

Cải tiến TN Buồng sương Wilson và ứng dụng TN vào dạy học bài ―Phóng xạ‖ nhằm khắc phục quan niệm sai lầm của học sinh

3 Giả thuyết khoa học

Nếu xây dựng các tiết học vật lí 12 ở ―Phóng xạ‖ kết hợp với các TN sẽ góp phần giúp học sinh khắc phục quan niệm sai lầm

4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

- Nội dung kiến thức vật lí lớp 12 bài ―Phóng xạ‖

- Các TN phóng xạ: ―Buồng sương Wilson‖ và ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖

- Phương pháp tổ chức hoạt động dạy học sử dụng TN biểu diễn dạy học môn vật

lí

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào cải tiến TN ―Buồng sương Wilson‖ và xây dựng tiết học thực nghiệm vật lí ở bài ―Phóng xạ‖

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lí luận và thực tiễn TN vật lí

- Phân tích mục tiêu về kiến thức, kĩ năng, cấu trúc, nội dung và các lưu ý khi dạy học bài Phóng xạ - vật lí 12

- Nghiên cứu về TN ―Buồng sương Wilson‖ và ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lí luận dạy học:

+ Nghiên cứu tài liệu về lí luận dạy học TN trong dạy học vật lí

- Phương pháp thực nghiệm sư phạm:

+ Giảng dạy thực nghiệm bài Phóng xạ vật lí 12

+ Quan sát, kiểm tra, đánh giá quan niệm của HS qua phiếu khảo sát

- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI “PHÓNG XẠ” VẬT LÍ 12

1.1 Các quan niệm về phóng xạ

1.1.1 Các quan niệm về phóng xạ của học sinh ngoài nước

- Quan niệm về phóng xạ của học sinh ngoài nước: Đã có bài báo nghiên cứu về

quan niệm của học sinh ở lưới tuổi THPT về phóng xạ như ―Ba quan điểm sai lầm về phóng xạ‖ của Susanne Neuman, ―Kiến thức về phóng xạ của học sinh Bồ Đào Nha‖ của Rego và Pelarta,… Các bài báo đều đã chỉ ra rằng có một số quan niệm sai lần ở

học sinh

- Phóng xạ là nhân tạo Theo nghiên cứu của Hiệp hội giáo viên vật lí Mỹ, nhiều

sinh viên cho rằng phóng xạ là nhân tạo [18] Ở Bồ Đào Nha hơn 50% sinh viên trẻ và

từ 30% đến 40% những người lớn tuổi tuyên bố chưa bao giờ nghe về phóng xạ tự nhiên[19] 84% học sinh Anh cho rằng phóng xạ xuất phát từ nhà máy điện hạt nhân [20] Thực tế phóng xạ có cả nguồn tự nhiên và nhân tạo Trong tự nhiên, phóng xạ được tìm thấy trong đất, đá, than đá, nước, không khí, gỗ… Gỗ chứa đồng vị Carbon 14C- đồng vị phóng xạ của nguyên tố carbon

- Sợ tiếp xúc với nguồn phóng xạ trong tự nhiên Phóng xạ có trong nước, không

khí, cây gỗ….những thứ mà ta tiếp xúc hằng ngày nhưng hầu như không ai biết về điều đó Khi được hỏi về việc tiếp xúc với phóng xạ trong tự nhiên, 36% học sinh nói rằng họ không muốn tiếp xúc vì sợ bị phơi nhiễm phóng xạ [21]

- Phóng xạ luôn nguy hiểm 78% học sinh Anh cho rằng phóng xạ gây nguy hiểm

chết người [22] Phóng xạ nguy hiểm đến con người phụ thuộc vào mật độ phóng xạ Tháng 3 năm 2019, Trường Trung học phổ thông Trần Khai Nguyên đã cho học sinh tiến hành TN quan sát chuyển động của các tia phóng xạ alpha, beta Trước khi cho học sinh làm TN, giáo viên trường đã kiểm tra và đảm bảo an toàn cho học sinh

- Các vật dễ bị nhiễm phóng xạ khi đặt gần nguồn phóng xạ Một quả dâu tây

được đặt gần nguồn phóng xạ, kết quả của Harrington chỉ ra rằng, 68% sinh viên vật lí tính toán nghĩ rằng dâu tây sẽ vẫn phóng xạ khi nguồn đã được gỡ bỏ [22]

70% học sinh Thổ Nhĩ Kỳ cho rằng dâu tây trở thành một nguồn phóng xạ và do đó có hại [21]

1.1.2 Các quan niệm về phóng xạ của học sinh trong nước

Phóng xạ hiện nay là một qua niệm khá quen thuộc đối với học sinh, sinh viên Việt Nam Các thông tin về phóng xạ được truyền đạt tới mọi người qua báo chí, truyền hình, mạng internet nhưng hầu hết những thông tin mà mọi người tiếp nhận là những tiêu cực, nguy hiểm mà phóng xạ mang lại Từ đó, mọi người có những quan niệm, cách nhìn nhận không đúng về phóng xạ

Chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu quan niệm về phóng xạ của học sinh lớp 12 sau khi các em đã được học về phóng xạ theo bảng phụ lục 1

Sau khi khảo sát và thống kê thì chúng tôi thu được kết quả như sau:

Bảng 1-1: Kết quả khảo sát quan niệm của học sinh lớp 12.4 về phóng xạ

Câu 1: Nguồn phóng xạ Đồng ý Phân vân Không đồng ý

1 Phóng xạ được phát ra từ lò phản

ứng hạt nhân, phòng thí nghiệm hạt

nhân

2 Phóng xạ có trong môi trường tự

nhiên xung quanh chúng ta như đất

2 Phóng xạ được ứng dụng trong soi

chiếu hành lí, kiểm tra an ninh tại sân

bay

3 Xạ trị ung thư, điều trị bướu cổ hay 87% 13% 0%

chẩn đoán các khối u trong cơ thể

4 Chiếu xạ thực phẩm diệt khuẩn 63% 23% 14%

5 Định tuổi các vật liệu khảo cổ 80% 17% 3%

Câu 3: Tác hại của phóng xạ Đồng ý Phân vân Không đồng ý

1 Phóng xạ luôn rất nguy hiểm khi

3 Phóng xạ gây chết người ngay lập

tức khi vừa tiếp xúc với nguồn phóng

5 Một trái táo đặt rất gần nguồn

phóng xạ, trái táo đó bị nhiễm phóng

1.2 Phân tích nội dung kiến thức bài “Phóng xạ”.

- Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững (tự nhiên hay nhân tạo)

- Quá trình phân rã này kèm theo sự tạo ra các hạt và có thể kèm theo sự phát ra các bức xạ điện từ Hạt nhân tự phân rã gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành sau phân rã gọi là hạt nhân con

- Tia thực chất là dòng các hạt He24 chuyển động với tốc độ cỡ 20.000 km/s Quãng đường đi được của tia  trong không khí chừng vài xentimét và trong vật rắn chừng vài micrômét

- Tia  thực chất là dòng các hạt êlectron hay dòng các hạt pôzitron

 chuyển động với tốc độ rất lớn, xấp xỉ tốc độ ánh sáng Tia 

truyền đi được vài mét trong không khí và vài milimét trong kim loại

- Các đồng vị phóng xạ nhân tạo có nhiều ứng dụng trong sinh học, hoá học, y học Trong y học, người ta đưa các đồng vị khác nhau vào cơ thể để theo dõi sự xâm nhập và di chuyển của nguyên tố nhất định trong cơ thể người Đây là phương pháp nguyên tử đánh dấu, có thể dùng để theo dõi được tình trạng bệnh lí Trong ngành khảo cổ học, người ta sử dụng phương pháp cacbon 146C, để xác định niên đại của các

cổ vật

1.3 Thí nghiệm vật lí

1.3.1 Khái niệm thí nghiệm vật lí

Khái niệm TN vật lí được hiểu theo các quan điểm sau:

- Trong vật lí học, TN vừa là nguồn kiến thức và là một phương pháp nghiên cứu

TN Vật lí trong trường phổ thông (còn gọi là TN giáo khoa hay TN học tập) là sự phản ánh phương pháp nghiên cứu khoa học trong việc nghiên cứu các hiện tượng vật lí, vì vậy chúng mang những yếu tố cơ bản của TN khoa học vật lí TN vật lí học tập được hiểu là sự tái tạo nhờ các dụng cụ đặc biệt, các hiện tượng vật lí trên lớp học, trong những điều kiện thuận tiện nhất để nghiên cứu chúng Vì vậy, TN vật lí đồng thời là nguồn kiến thức, PPDH và là một dạng trực quan.[3]

- Theo Nguyễn Đức Thâm và cộng sự, TN vật lí được hiểu là sự tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan Thông qua sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và các kết quả của

sự tác động, ta có thể thu nhận tri thức mới [4]

- Mặt khác, TN là một phương pháp dạy học vật lí Đó là cách thức, là biện pháp

tổ chức các hoạt động dạy học của người GV thể hiện qua sự cộng tác giữa thầy và trò trong quá trình giảng dạy và học tập nhằm đạt được hiệu quả cao nhất trong việc truyền thụ, lĩnh hội tri thức vật lí và rèn luyện kĩ năng kĩ xảo thực hành [5]

- Thí nghiệm là phương tiện thu nhận tri thức

+ TN là một phương tiện quan trọng của hoạt động nhận thức của con người, thông qua TN con người đã thu nhận được những tri thức khoa học cần thiết nhằm nâng cao năng lực của bản thân để có thể tác động và cải tạo thực tiễn Trong dạy học,

TN là phương tiện của hoạt động nhận thức của HS, nó giúp người học trong việc tìm kiếm và thu nhận kiến thức khoa học cần thiết

+ Trong dạy học VL, TN được sử dụng như một công cụ phân tích hiện thực khách quan, từ đó HS thu nhận tri thức về đối tượng, nếu ban đầu HS chưa biết hoặc biết một ít về đối tượng cần nghiên cứu, thì TN được sử dụng để thu nhận những kiến thức đầu tiên về nó, thông qua TN, HS có thể trả lời được các câu hỏi về hiện tượng xảy ra của đối tượng

+ TN là nguồn cung cấp thông tin chính xác về các sự vật, hiện tượng và chỉ có

TN thì kiến thức mà HS thu nhận mới đạt chất lượng, hiệu quả và chính việc sử dụng

TN trong dạy học VL mới đem lại cho HS sự tự tin vào kiến thức được lĩnh hội

- Thí nghiệm là phương tiện kiểm tra tính đúng đắn của những tri thức thu nhận + Trong dạy học VL, TN là một trong những phương tiện tốt để kiểm tra kiến

thức VL đã được khái quát hoá từ lí thuyết Thực tế cho thấy, từ sự khái quát hoá lí thuyết rồi đưa ra TN để kiểm tra lí thuyết không những làm cho hoạt động nhận thức của HS tích cực hơn mà còn tạo được niềm tin về sự đúng đắn của kiến thức mà HS đã lĩnh hội

- Thí nghiệm là phương tiện để vận dụng tri thức vào thực tiễn

+ Trong dạy học VL, TN không những có vai trò rất lớn trong việc tích cực hóa hoạt động nhận thức của HS, thể hiện ở khía cạnh cung cấp kiến thức, rèn luyện thao tác chân tay, tác động đến giác quan của HS , mà TN còn có một vai trò rất lớn khác trong việc giúp HS củng cố và vận dụng kiến thức một cách vững chắc

+ TN VL giúp cho HS có điều kiện vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế cuộc sống, từ đó xoá bỏ dần lối học vẹt, lí thuyết suông đã tồn tại nhiều năm trước đây

- Thí nghiệm là một bộ phận của các phương pháp nhận thức

+ Đối với phương pháp thực nghiệm, TN luôn có mặt ở nhiều khâu khác nhau: làm xuất hiện vấn đề nghiên cứu, kiểm tra tính đúng đắn của các giả thuyết,…

+ Trong phương pháp mô hình, TN giúp ta thu thập các thông tin về đối tượng gốc làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình

+ Nhờ những kết quả của các TN được tiến hành trên vật gốc tạo cơ sở để đối chiếu với kết quả thu được từ mô hình, qua đó để có thể kiểm tra tính đúng đắn của mô hình được xây dựng và chỉ ra giới hạn áp dụng của nó

1.3.3 Một số loại hình thí nghiệm vật lí

- Có nhiều cách phân loại TN trong DH vật lí, tuỳ vào từng tiêu chí khác nhau, sẽ

có các kết quả phân loại khác nhau Ví dụ: căn cứ vào đối tượng sử dụng, TN vật lí ở trường phổ thông có thể chia thành hai loại: TN biểu diễn (TN do GV tiến hành là chính, tuy có thể có sự hỗ trợ của HS) và TN thực hành (TN do HS tự tiến hành dưới

1.3.3.1 Thí nghiệm biểu diễn

Là phương pháp dạy học vật lí trong đó giáo viên tiến hành các TN vật lí, tác động lên các đối tượng vật lí nhằm thông qua đó trình bày lại cho học sinh phương pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu đối tượng vật lí [7]

Các loại TN biểu diễn: [7]

- Thí nghiệm vật lí mở đầu: là những TN đơn giản về dụng cụ và về quá trình

thực hiện Về thời gian chúng chỉ chiếm khoảng từ 1 đến 2 phút vào đầu tiết học Mục đích của loại TN này là nhằm tạo ra một hiện tượng vật lí Từ đó đặt ra cho học sinh một vấn đề cần nghiên cứu, giải quyết trong lớp học Một mục đích khác của loại TN này là nhằm kích thích học sinh hứng thú giải quyết vấn đề

- Thí nghiệm nghiên cứu: Là những TN có mức độ và qui mô lớn (Trong phạm vi

dạy học) về thiết bị, hệ thống các thao tác và thời gian Chúng thường chiếm phần lớn thời gian của tiết học trên lớp, hoặc phải tiến hành trên phòng TN với các thiết bị đặc biệt Mục đích của TN là tác động trực tiếp lên đối tượng để nghiên cứu những thuộc tính vật lí của chúng hoặc tìm ra các quy luật vật lí Trong loại TN này, người ta còn

phân biệt hai loại là thí nghiệm khảo sát và thí nghiệm kiểm chứng – minh họa

+ Thí nghiệm khảo sát: Là loại TN được tiến hành theo con đường qui nạp Từ

những kết quả của nhiều lần TN, trong cùng những điều kiện nhất định mà khái quát hóa thành một kết luận chung cho các hiện tượng cùng loại

+ Thí nghiệm kiểm chứng minh họa: Là loại TN được tiến hành theo con đường

diễn dịch Những kết quả của các TN này sẽ kiểm chứng hoặc minh họa cho những kết luận rút ra theo con đường tiên đề hoặc là từ những suy luận toán học, từ những giả thuyết

- Thí nghiệm củng cố: Là loại TN trình bày những ứng dụng của vật lí vào trong

khoa học, kĩ thuật và đời sống hoặc nhưng TN thể hiện những hiện tượng vật lí đã học Mục đích của TN này là để học sinh thấy được vai trò của vật lí trong thực tế và để vận dụng lí thuyết đã học vào việc giải thích chúng, qua đó nắm vững kĩ năng vật lí

 Kĩ thuật và phương pháp tiến hành biểu diễn: [7]

- Kĩ thuật tiến hành thí nghiệm biểu diễn:

+ Bước 3: Giới thiệu dụng cụ và lắp đặt TN

+ Bước 4: Kiểm tra toàn bộ TN trước khi tiến hành

+ Bước 5: Tiến hành TN theo kế hoạch đã định

+ Bước 6: Phân tích kết quả và rút ra kết luận

+ Bước 7: Tổng kết TN

1.3.3.2 Thí nghiệm thực hành [7]

Là phương pháp dạy học vật lí trong đó giáo viên tổ chức và hướng dẫn cho học sinh thực hành các TN vật lí nhằm mục đích tác động trực tiếp lên đối tượng vật lí để nghiên cứu chúng

Các TN thực hành cũng có thể là những TN nghiên cứu trong vật lí, cũng có thể

là những TN lịch sử nhưng đã được cải biến và nhiều TN do các nhà sư phạm thiết kế nhằm mục đích tổ chức học tập cho học sinh

Các loại thí nghiệm thực hành:

+ Thí nghiệm thực hành trên lớp: Là loại TN do học sinh thực hiện trên lớp học,

trong giờ học, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên nhằm mục đích nghiên cứu một kiến thức vật lí mới

+ Thí nghiệm thực hành trên phòng thí nghiệm: Là các TN do học sinh thực hiện

trên Các phòng TN vật lí của nhà trường với thời gian nhiều hơn, từ một đến hai tiết học Điểm khác biệt của loại TN này là học sinh trước khi tiến hành TN đã nắm được

cơ bản những vẫn đề lí thuyết và hệ thống thao tác nên tự chủ và nâng cao hơn được khả năng hoạt động độc lập cũng như phát triển được tư duy hơn

+ Thí nghiệm thực hiện ở nhà: là loại TN do học sinh thực hiện ở nhà dưới sự

hướng dẫn trên lớp của giáo viên Các loại TN này chủ yếu là quan sát, định tính vì học sinh không thể tự làm các TN định lượng nếu không có sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên

1.3.3.3 Thí nghiệm tự tạo

Trong quá trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo và sử dụng TNTT, các tác giả đã đưa

ra những định nghĩa khác nhau về TNTT

Theo tác giả Hans-Joachim Wilke (Đức) “Thí nghiệm tự tạo là những thí nghiệm

được dùng trong dạy học vật lí và được tự tạo ra với những vật liệu và dụng cụ phổ biến trong đời sống hằng ngày” [25]

Các tác giả H Joachim Schlichting, C Berthold, D Binzer, M Herfert, H

Hilscher, J Kraus, C Möller cho rằng: “Thí nghiệm tự tạo là những thí nghiệm được

tạo ra với phương tiện chủ yếu là bàn tay với những vật liệu trong đời sống hằng ngày” [23,24]

Theo tác giả Lê Cao Phan: “Thí nghiệm tự làm là thí nghiệm do giáo viên hoặc

học sinh thực hiện bằng các nguyên vật liệu dễ tìm kiếm, rẻ tiền, sẵn có ở địa phương, phù hợp với hoàn cảnh của nhà trường và học sinh” [8]

Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, khái niệm TNTT đã được phát triển TNTT không chỉ được tạo ra bằng những nguyên vật liệu rẻ tiền, có sẵn mà

có thể được tạo ra từ những thiết bị, linh kiện điện tử tinh vi

Theo tác giả Nguyễn Hoàng Anh: ―Thí nghiệm tự tạo là những thí nghiệm từ đơn

giản đến phức tạp được tạo ra chủ yếu bằng tay từ những nguyên vật liệu thiết bị, linh kiện phổ biến trong đời sống hằng ngày và được sử dụng trong quá trình dạy học” [9]

 Phân loại thí nghiệm tự tạo: [9]

+ Thí nghiệm tự tạo đơn giản: Là những TN được tạo ra từ những vật liệu, dụng

cụ thông dụng dễ kiếm như: vỏ lon, gỗ,… TNTT đơn giản thường là những TN định tính

+ Thí nghiệm tự tạo phức tạp: Là những TN được tạo ra từ các dụng cụ thông

dụng nhưng có quá trình gia công, chế tạo dụng cụ TN phức tạp hơn so với TNTT đơn giản

+ Thí nghiệm tự tạo hiện đại: Là những thí nghiệm được tạo ra trong đó có sử dụng

các loại thiết bị và linh kiện điện tử hiện đại như: vi điều khiển, mạch điện tử, bo mạch,… Những TN này thường là những thiết bị tự động

 Các yêu cầu đối với việc tự tạo thí nghiệm [9]

- Về mặt khoa học

+ Các TNTT được xây dựng phải đảm bảo khi tiến hành TN phải thành công, tạo

ra hiện tượng rõ ràng, đúng với bản chất vật lí và điều khiển được các yêu tố tác động + Quá trình thiết kế, chế tạo cần ứng dụng các thành tựu mới trong khoa học; có câu tạo gọn nhẹ, thuận tiện trong quá trình sử dụng (tháo lắp, bố trí và tiến hành TN); Đảm bảo an toàn trong sử dụng, dễ sửa chữa, bảo quản và vận chuyển

 Về mặt sư phạm

+ TNTT có thể được sử dụng ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình dạy học như: sử dụng trong đề xuất vấn đề nghiên cứu, sử dụng trong hình thành kiến thức mới

và sử dụng trong củng cố, vận dụng kiến thức

tiến trình DH, đồng thời kết quả TN phải được sử dụng cho mục đích DH một cách hợp lí, logic và không gượng ép

 Về mặt thẩm mĩ

+ Các dụng cụ TNTT phải có kích thước đủ lớn, đảm bảo cho cả lớp quan sát nhằm giúp cho HS dễ theo dõi diễn biến của TN để có thể rút ra được những kết luận cần thiết TN phải có màu sắc thích hợp và hình dáng đẹp đẽ lôi cuốn sự chú ý của HS, đặc biệt là cần làm nổi bật bộ phận cần quan sát

 Quy trình tự tạo TN trong dạy hoc vật lí [9]

- Bước 1: Xác định mục tiêu dạy học

- Bước 2: Nghiên cứu nội dung bài học

- Bước 3: Tìm hiểu thực trạng cơ sở vật chất, thiết bị TN

- Bước 4: Đề xuất, lựa chọn phương án TN

- Bước 5: Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ và linh kiện cần thiết

- Bước 6: Gia công, chế tạo dụng cụ TN

- Bước 7: Lắp ráp TN

- Bước 8: Tiến hành TN

- Bước 9: Hoàn thiện TN

1.4 Các thí nghiệm ứng dụng trong dạy học chương “Nguyên tử hạt nhân”

1.4.1 Buồng sương Wilson

1.4.1.1 Cơ sở khoa học [10]

- Cơ sở khoa học để tạo ra thiết bị này là kết quả công trình nghiên cứu sự tạo

thành những đám mây hay sương mù Trước Wilson, trong các điều kiện phòng TN, người ta đã chỉ ra rằng hơi bão hòa có thể bị ngưng tụ và tạo thành những giọt chất lỏng, nếu trong thể tích đã cho có các tâm ngưng tụ

- Wilson đã chỉ ra rằng các ion có thể là tâm ngưng tụ của hơi bão hòa Hơn nữa các giọt chất lỏng đươc tạo thành sẽ phát triển đến kích thước nhìn thấy được Có thể

quan sát và chụp ảnh được chúng một cách dễ dàng

1.4.1.2 Lịch sử thí nghiệm [11]

Năm 1897, Wilson chứng minh được rằng trong những điều kiện xác định, mỗi ion tích điện đều trở thành tâm ngưng tụ hơi nước Vì thế có thể nhận ra sự hiện diện của các ion bằng mắt thường Đầu năm 1911, Wilson là người đầu tiên nhìn thấy và chụp ảnh vết của các hạt alpha, beta và các electron riêng biệt Từ những lý thuyết trên, năm 1912 ông đã phát minh ra một dụng cụ để theo dõi và chụp ảnh các vết của điện tích (sau này được gọi là buồng Wilson)

Buồng Wilson còn được gọi là buồng sương Theo lời của nhà vật lí người Anh Ernest Rutherford, buồng sương là một ―dụng cụ độc đáo và đáng ngạc nhiên nhất‖ để ghi lại hoạt động của các hạt Các nhà khoa học giải thích rằng để tạo ra sương cần có các tâm ngưng tụ Wilson phát hiện ra rằng các tâm ngưng tụ của hơi nước có thể là các ion tạo thành khi hơi nước bão hòa bị chiếu rọi bởi các tia X hoặc các bức xạ khác như các tia alpha, beta và gamma Sau khi tiến hành nghiên cứu trong nhiều năm, ông

đã chế tạo ra một dụng cụ có thể ghi nhận các hạt Đến năm 1923, buồng sương được hoàn thiện và dẫn đến có hai bài báo kinh điển của ông về vết của các electron

1.4.2.1 Tương tác của tia gamma với môi trường vật chất

a) Giới thiệu tia gamma

Bản chất của bức xạ gamma là sóng điện từ có bước sóng nhỏ hơn 10-8 cm, được tạo ra khi hạt nhân nguyên tử ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao chuyển về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và dần chuyển về trạng thái cơ bản phát ra lượng tử có mức năng lượng đúng bằng hiệu hai mức năng lượng mà nó chuyển đổi và

có dạng phổ vạch thì nó được gọi là bức xạ gamma

độ khối của vật chất suy giảm

Trong quá trình hấp thụ: Tia gamma truyền toàn bộ năng lượng cho vật chất Năng lượng đó làm cho các hạt thứ cấp chuyển động trong môi trường đồng thời tia gamma biến mất

Trong quá trình tán xạ: Tia gamma truyền một phần năng lượng cho các hạt vật chất và thay đổi phương chuyển động đồng thời giảm năng lượng

Lượng tử gamma không tích điện do đó quá trình làm chậm của lượng tử gamma trong môi trường vật chất không được thực hiện liên tục như những hạt tích điện vì khi tương tác với electron và nguyên tử của môi trường, lượng tử gamma tương tác theo các cơ chế hấp thụ (mất toàn bộ năng lượng) hoặc tán xạ (mất một phần năng lượng) Trong thực tế, để ghi nhận được bức xạ gamma khi nó tương tác với vật chất, ba hiệu ứng sau đây là quan trọng và có ý nghĩa mà chúng ta cần quan tâm:

+ Hiệu ứng quang điện

+ Tán xạ Compton

+ Hiệu ứng tạo cặp trong trường hạt nhân sinh ra electron và positron

b) Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện xảy ra khi chùm bức xạ gamma tới có năng lượng thấp (< 0,511 MeV) tương tác với môi trường vật chất Khi đó, lượng tử gamma biến mất khi truyền toàn bộ năng lượng cho các electron trong nguyên tử của nguyên tố vật chất cấu thành môi trường mà nó truyền qua Hay nói cách khác là bứt các electron ra khỏi nguyên tử Năng lượng của electron được xác định từ hệ thức:

Khi năng lượng hf của bức xạ gamma tới lớn hơn năng lượng liên kết của điện tử trong nguyên tử và nằm trong khoảng 0.511 Mev đến 5 Mev tương đương với bước sóng < 1 o

A thì hiệu ứng hấp thu quang điện trở thành thứ yếu Khi đó, sự va chạm đàn hồi giữa một photon (gamma) với một electron tạo ra một electron có năng lượng lớn hơn năng lượng nghỉ của nó (0.511 Mev)

Bức xạ gamma sau khi tán xạ sẽ lệch khỏi phương ban đầu một góc  và có năng lượng bị giảm (bước sóng tăng) còn electron Compton bị bắn ra dưới một góc 

đó là hiệu ứng Compton

Hình 1-2: Tán xạ Compton.

Điện tử Compton (các electron giật lùi) thu được năng lượng càng lớn nếu góc tán xạ của photon càng lớn Nó thu năng lượng cực đại khi photon va chạm chính diện với electron, phần năng lượng được truyền phụ thuộc vào năng lượng của photon tới Photon tới có năng lượng nhỏ thì năng lượng của điện tử Compton sẽ nhỏ, điều này cho phép ta phân biệt các điện tử Compton và các quang điện tử Tóm lại, phần năng lượng truyền cho điện tử Compton phụ thuộc vào năng lượng và góc tương tác của photon tới

d) Hiệu ứng tạo cặp

Lượng tử gamma trong điện trường của electron hoặc hạt nhân có thể tạo ra cặp electron – positron khi năng lượng của chùm tia bức xạ gamma tới Khi đó, lượng tử gamma bị hấp thu hoàn toàn, năng lượng của nó truyền hết cho cặp electron – positron

và nhân giật lùi Quá trình tạo cặp phải thoả mãn định luật bảo toàn động lượng, do đó

nó không thể xảy ra trong chân không

Gọi TA là năng lượng của hạt nhân giật lùi, từ định luật bảo toàn năng lượng, ta có:

Hiệu ứng tạo cặp chỉ có thể xảy ra khi năng lượng của chùm tia gamma lớn hơn tổng năng lượng nghỉ của cặp electron – positron hiệu ứng tạo cặp là chủ yếu ở vùng năng lượng cao, nó tỉ lệ với Z2 Cặp electron – positron có thể được sinh ra trong trường của điện tử, tuy nhiên trong trường của điện tử sự hấp thụ tia gamma sẽ yếu hơn nhiều vì tiết diện tương tác có giá trị nhỏ

Hình 1-3: Hiệu ứng tạo cặp

1.4.2.2 Dectector nhấp nháy

Sự tìm ra các bức xạ ion thông qua các ánh sáng nhấp nháy phát ra từ một số vật chất nào đó là một kỹ thuật đã được biết đến Quá trình nhấp nháy còn là một trong những phương pháp hữu ích nhất trong việc dò tìm và phân loại quang phổ của các bức xạ

a) Nguyên tắc hoạt động

Khi một hạt mang điện đi vào bản nhấp nháy sẽ kích thích các nguyên tử hay phân tử Sau đó với sự dịch chuyển về trạng thái cơ bản chúng sẽ phát ra một ánh sáng nhấp nháy, đó là các photon Qua một lớp dẫn sáng các photon đập vào bộ phận nhân quang điện (NQĐ) và ở lối ra của NQĐ xuất hiện một tín hiệu điện có biên độ khá lớn,

tín hiệu điện này được đưa vào bộ tiền khuếch đại để hòa hợp tổng trở giữa lối ra của detector và lối vào của bộ khuếch đại Xung điện tạo thành sau khi qua bộ khuếch đại

sẽ được tăng biên độ lên mấy bậc trước khi đưa vào phân tích và ghi nhận

+ Sự chuyển đổi trên cần phải tuyến tính, đầu ra của áng sáng tương xứng với năng lượng bức xạ đi vào chất nhấp nháy

+ Chất nhấp nháy cần phải có chất lượng quang học tốt Và chất nhấp nháy phải sản xuất ra được với số lượng lớn

+ Chỉ số khúc xạ cần phải gần với sự ghép nối sao cho hiệu quả nhất của ánh sáng nhấp nháy với bộ phận nhân quang điện

Trong thực tế, không vật chất nào đồng thời đạt được tất cả tiêu chuẩn này, sự lựa chọn chất nhấp nháy luôn luôn là một thỏa hiệp giữa những tiêu chuẩn trên và các nhân tố khác Chất nhấp nháy được ứng dụng rộng rãi nhất bao gồm những tinh thể halogen kiềm (ưa chuộng nhất là NaI(Tl)), chất lỏng và chất dẻo hữu cơ Chất nhấp nháy vô cơ cho ánh sáng ra tuyến tính tốt nhất, nhưng với một vài ngoại lệ là tương đối chậm trong sự đáp lại của thời gian (thời gian phát sáng tương đối lớn) Chất nhấp nháy hữu cơ thì có thời gian phát sáng nhanh hơn nhưng năng suất thấp

Quá trình phát sáng trong chất nhấp nháy có thể xảy ra theo hai cách:

+ Trong trường hợp các dịch chuyển cho phép nghĩa là các dịch chuyển từ trạng thái kích thích của phân tử chất nhấp nháy về trạng thái cơ bản thì nháy sáng thường phát ra rất nhanh (tương ứng thời gian sống trung bình của trạng thái này rất nhỏ sau

khi bức xạ đập vào), loại phát sáng như vậy gọi là quá trình huỳnh quang

+ Trong trường hợp các dịch chuyển bị cấm vì nguyên tắc lượng tử nào đó thì các trạng thái kích thích này gọi là các mức giả bền có thời gian sống lớn và nhấp nháy

xảy ra chậm so với thời điểm bức xạ đập vào, chính quá trình này góp phần vào sự kéo

dài của tín hiệu, đấy gọi là quá trình lân quang

Chất nhấp nháy được chia thành 2 loại: chất nhấp nháy hữu cơ và chất nhấp nháy

vô cơ Chúng tôi chỉ xét tới chất chấp nháy vô cơ

c) Chất nhấp nháy vô cơ

 Cơ chế phát sáng của chất nhấp nháy vô cơ:

Cơ chế phát sáng của tinh thể vô cơ được giải thích dựa trên cơ sở lý thuyết vùng của chất rắn Theo đó các mức năng lượng trong tinh thể có thể sắp xếp thành ba vùng: vùng hóa trị, vùng dẫn và vùng cấm Ở nhiệt độ bình thường (nhiệt độ phòng) và trong trạng thái cơ bản các mức năng lượng khả dĩ ở vùng hóa trị hoàn toàn bị chiếm đầy bởi các electron, trong khi đó ở vùng dẫn còn có nhiều mức chưa đầy

Hình 1-4: Sơ đồ các quá trình dịch chuyển electron trong tinh thể vô cơ.

Khi một bức xạ hạt nhân đi vào bản nhấp nháy, lúc này do tương tác sẽ có thể truyền năng lượng cho electron nào đó để nó nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn (quá trình 1) Trong một tinh thể ròng, quá trình phát sáng tiếp theo có thể xảy ra khi có sự dịch chuyển ngược lại của electron từ trạng thái kích thích ở vùng dẫn về lỗ trống mà

nó vừa giải phóng trong vùng hóa trị (quá trình 2) Rõ ràng đây là một quá trình chậm tìm kiếm lỗ trống, ngoài ra năng lượng của photon phát ra trong sự dịch chuyển này xác định bởi chiều rộng của vùng cấm mà phổ phát xạ chồng lên phổ hấp thụ

Trong thực tế, có sự tồn tại một số tạp chất trong tinh thể tạo ra sự sai hỏng mạng tinh thể, sinh ra các mức địa phương, tạo thành những tâm tắt Tại đây, các mức địa phương là các lỗ trống đối với các electron, do sự khuyếch tán gần tâm phát sáng các

electron sẽ bị bắt bởi các lỗ trống này và năng lượng kích thích thừa sẽ phát ra dưới dạng photon ánh sáng (quá trình 3) Dịch chuyển electron này từ mức địa phương về vùng hóa trị có thể theo đường không phát sáng (quá trình 4) Photon phát ra trong quá trình 3 không bị hấp thụ trong bản tinh thể vì năng lượng của nó bé hơn bề rộng vùng cấm Quá trình 3 là quá trình phát sáng huỳnh quang với thời gian cỡ 10-8 giây, tức cỡ thời gian sống của trạng thái kích thích nguyên tử

Bên cạnh đó còn có những mức giả bền, các electron kích thích có thể bị bắt giữ

ở đây (quá trình 5) cho đến khi có thể chuyển ngược về vùng dẫn (quá trình 6) nhờ thu thêm năng lượng do dao động nhiệt Từ vùng dẫn electron có thể trở về vùng hóa trị theo quá trình 3 – 4 và phát photon, đây là quá trình lân quang

Các loại chất nhấp nháy vô cơ:

 NaI

Chất nhấp nháy NaI hơn hẳn các chất nhấp nháy vô cơ khác là đầu ra của ánh sáng gần như là tuyến tính với hầu hết các năng lượng quan trọng của các bức xạ đi vào bản nhấp nháy Với nguyên tử số Z lớn, làm tăng hệ số khuyếch tán ngược các electron khoảng 80 – 90 % nên ít đươc làm dùng detector ghi electron Nhưng do hệ số hấp thụ gamma phụ thuộc vào mật độ và nguyên tử số Z vì vậy rất thích hợp dùng làm detector ghi gamma Nếu bố trí hình học tốt và kích thước lớn có thể đạt hiệu suất ghi đến 90 - 100% Đây là tinh thể tinh thể vô cơ tốt nhất hiện nay dùng để ghi gamma, nhưng nhược điểm đáng kể của tinh thể NaI là tinh chất dễ hút nước, dẫn đến hạn chế khả năng ghi các bức xạ mềm và gây phiền phức trong việc bảo quản

 CsI(Tl) và CsI(Na)

Hai tinh thể này kém hơn NaI(Tl) một chút nhưng bù lại không hút nước, dễ dàng cho việc bảo quản, cho nên có tính phổ biến cao Khả năng chịu sự rung động tốt hơn NaI(Tl) vì ít giòn hơn, ngoài ra dễ gia công theo các kích thước và hình dạng theo mục đích sử dụng

 LiI(Eu)

Đây là tinh thể vô cơ được dùng để ghi neutron chậm và neutron nhiệt nhưng là tinh thể vô cơ kém nhất để ghi gamma

 BGO (Bi Ge O4 3 12 )

Được tìm ra vào năm 1970, có tính thương mại rất cao và được sử dụng rộng rãi,

do mật độ cao (7,3g/cm3) và nguyên tử số Z lớn (83) dẫn đến hiệu suất ghi gamma rất cao Thế nhưng, đầu ra của ánh sáng ở nhiệt độ phòng rất thấp, khi nhiệt độ càng tăng thì đầu ra của áng sáng lại càng thấp hơn nữa, vì vậy không thích hợp trong việc ghi các bức xạ cho những khu vực nhiệt độ cao

1.4.2.3 Ống nhân quang điện

 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động:

Các photon phát ra từ bản nhấp nháy đập vào photocathode của ống nhân quang điện (NQĐ) sẽ đánh bật các electron quang điện ra khỏi đó, dưới tác dụng của điện trường các electron này được tăng tốc rồi đập vào dynode thứ nhất Từ dynode thứ nhất phát ra một số electron thứ cấp nhiều hơn số electron đập vào, quá trình này xảy

ra liên tục trên các dynode thứ hai – thứ ba…(khoảng từ 10 đến 20 dynode) cứ như vậy tới anode sẽ thu được một dòng electron rất lớn so với dòng phát ra từ photocathode

Cuối cùng, do tương tác của một hạt mang điện thì tín hiệu ánh sáng phát ra từ bản nhấp nháy đã biến thành một xung điện có biên độ khá lớn ở lối ra của NQĐ

 Hệ thống dynode và hệ số khuếch đại

Các electron phát ra từ cathode, nhờ một màn hội tụ (điện cực hội tụ) tập trung vào dynode thứ nhất Điện thế từ dynode đầu đến dynode cuối tăng và được cung cấp bằng một nguồn điện xoay chiều vài kilovolt qua một bộ chia thế Để hội tụ tốt các electron về dynode thứ nhất ở mặt trong của ống NQĐ trong vùng hội tụ phủ một lớp dẫn

Hình 1-5: Sơ đồ cấu tạo của ống nhân quang điện.

Bề mặt của dynode thường phủ một lớp vật chất có hệ số phát xạ thứ cấp lớn hơn đơn vị Ngoài ra, người ta còn phải chọn hiệu thế giữa các dynode ứng với giá trị cực đại của hệ số 

Giả sử ống NQĐ có n dynode và hệ số thứ cấp lần lượt là 1, 2… n Hệ số khuyếch đại M của ống NQĐ có thể xác định như sau:

1 .2 n

Nếu điều kiện để phát xạ thứ cấp trên tất cả các dynode như nhau tức hiệu suất tụ electron từ photocathode đến dynode thứ nhất và từ dynode này đến dynode khác đều bằng 1 thì:

- Các bộ TN được kiểm chứng an toàn cho HS

- Nội dung của các bộ TN phù hợp với kiến thức các em đã được học

- Các bộ TN được xây dựng dựa trên những nguyên lí mà các em hoàn toàn có thể giải thích được dựa trên những kiến thức đã học

- Quá trình thực hiện TN có thể rèn luyện kĩ năng thực thành, tạo nên một tư duy khoa học cho các em HS

Từ những cơ sở lí luận ở chương 2, chúng tôi xây dựng các bộ TN ứng dụng vào việc dạy học bài ―Phóng xạ‖ với mong muốn có thể khắc phục các quan niệm sai lầm

đã nêu ở chương 1 cho học sinh

CHƯƠNG II CẢI TIẾN VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI “PHÓNG XẠ” VẬT LÍ 12

2.1 Thí nghiệm “Buồng sương Wilson”

2.1.1 Mục đích thí nghiệm

- Dùng để quan sát được đường bay của các tia alpha, beta

- Nhận biết được 1 số tính chất của tia phóng xạ: khả năng đâm xuyên, ion hóa môi trường,

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thí nghiệm

2.1.2.1 Cấu tạo thí nghiệm “Buồn sương Wilson” sử dụng đá khô

Buồng sương là bình kín chứa đầy hơi chất lỏng (cồn 99%) ở trạng thái bão hòa

và không bị ngưng tụ Nếu thời điểm nào có tia phóng xạ bay qua thể tích nói trên thì

nó sẽ làm ion hóa các phân tử khí xung quanh tạo nên nhiều hạt mang điện Các phân

tử khí (hơi cồn) sẽ ngưng tụ vào các hạt mang điện này và sẽ bắt đầu xuất hiện các giọt nước Vết của hạt có thể thấy được và có thể ghi nhận lại vết này [26],[27]

2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động

Các phân tử cồn là phân cực, có thể coi nó như thanh nam châm nhỏ, với cực dương là hidro và cực âm là oxy Khi một ion hay một hạt tích điện bay qua đám mây phân tử này thì các lưỡng cực chịu ảnh hưởng và bắt đầu di chuyển lại gần ion và xếp sát vào nhau hơn Tạo thành một đường dọc theo đường đi của ion đó [26],[27]

Miếng đệm mút chứa cồn, được gắn vào bên thành hộp và cồn sẽ bay hơi khi nó được làm ấm ở nhiệt độ phòng Khi đáy hộp được làm lạnh, sự chênh lệch nhiệt độ được tạo ra trong hộp Hơi cồn khuếch tán xuống phía dưới (bề mặt lạnh) Trong khi

đó, nhiều ion dương và ion âm được tạo ra dọc theo đường đi của tia alpha Các phân

tử khí ngưng tụ trên các ion tạo thành sương dọc theo vết hạt tích điện [26],[27]

2.1.3 Cách chế tạo thí nghiệm

2.1.3.1 Nguyên-vật liệu [1]

Hộp thủy tinh, miếng mica, cồn isopropyl 99%, mút, nguồn phóng xạ tự nhiên (mẫu đất tự nhiên lấy từ Ninh Thuận), túi nilon đen, đèn pin, keo nến, súng bắn keo

Hình 2-1: Nguyên vật liệu để chế tạo ―Buồng sương Wilson‖ sử dụng đá khô [1]

2.1.3.2 Tiến trình thí nghiệm [1]

- Bước 1: Dán miếng nilon đen vào đáy hộp thủy tinh

- Bước 2: Dán miếng mút xung quanh thành hộp

- Bước 3: Dùng dao gọt bỏ phần phía trong của nắp đậy và gắn miếng mica vào thay (nếu nắp quan sát bị mờ)

- Bước 4: Nhỏ cồn vào mút một lượng vừa đủ Đóng kín nắp vào hộp thủy tinh bên trong hộp có chứa nguồn phóng xạ

- Bước 5: Đặt hộp thủy tinh chứa cồn và nguồn phóng xạ lên đá khô trong vùng không gian tối Đợi một thời gian sau đó dùng đèn pin để quan sát các vệt

+ Sử dụng đá khô sẽ có thể gây bỏng lạnh cho học sinh

2.1.4 Cải tiến thí nghiệm

Để khắc phục những nhược điểm trên, chúng em đã chọn sò nóng lạnh làm nguồn lạnh để thực hiện TN với nguyên lý hoạt động gần như không đổi

Để có thể tạo ra bề mặt lạnh trong hộp, chúng ta sẽ sử dụng sò nóng lạnh Khi được đặt ở đúng hiệu điện thế định mức, một đầu của sò sẽ lạnh và đầu còn lại sẽ nóng Chúng ta sẽ đưa mặt lạnh vào bên trong hộp để có thể giúp việc làm lạnh nhanh chóng

và hiệu quả hơn Khi nhiệt độ của mặt nóng của sò càng lớn thì hiệu quả làm việc càng kém và có thể làm hỏng sò Vì vậy, chúng ta phải tản nhiệt lượng từ mặt nóng của sò

đi thông qua miếng nhôm tản nhiệt và nguồn lạnh

2.1.4.1 Nguyên vật liệu

2 Sò nóng lạnh 12V-57W (4cm x 4cm), dây điện, nguồn điện 12V, hộp thủy tinh, nhựa mica trong suốt, kéo, bao ni-lông đen, keo nến, cồn 99,7%, đèn pin, băng keo đen, băng keo cách nhiệt, mút-xốp, nhôm tản nhiệt, keo tản nhiệt, thau nước, nguồn phòng xạ, keo silicon, phích cắm điện

- Đo kích thước của sò và đường kính của khung nắp

- Cắt laze phần kính nika dày 2mm có hình tròn với đường kính bằng với đường kính khung nắp đã đo Ở giữa miếng kính sẽ cắt 2 ô vuông (4,07mm x 4,07mm) cách nhau 1 – 1,5cm

- Dán miếng kính vào khung nắp bằng keo silicon sao cho thật kín

- Nối các dây của sò vào các phích cắm và phân biệt rõ cực âm và cực dương (màu đỏ cực dương, màu đen cực âm)

Hình 2-2: Sò nóng lạnh đã được nối với phích cắm điện.

- Gắn sò vào miếng kính Mica sao cho khi đóng nắp thì mặt lạnh (mặt có chữ) quay vào trong hộp và mặt nóng của 2 sò nằm trên cùng một mặt phẳng của nhôm tản nhiệt

- Cho keo nến vào các khe hỡ giữa miếng kính và sò ở cả 2 mặt trong và ngoài

- Dùng băng keo cách nhiệt dán xung quanh bên ngoài và bên trong hộp thủy tinh

- Cắt nhỏ miếng mút- xốp và dán xung quanh trong hộp thủy tinh bằng keo nến

- Cắt bao ni-lông đen thành hình tròn vừa với phần nắp

Để TN có thể vận hành tốt và thành công thì buồng sương chúng ta tạo ra phải đảm bảo 2 yếu tố là kín và càng cách nhiệt với môi trường bên ngoài càng tốt Việc kín

có thể đảm bảo thể tích khí trong buồng là không thay đổi đảm bảo hiện tượng ngưng

tụ xảy ra Qua nhiều lần thực hiện TN, chúng tôi nhận ra rằng việc giữ sao cho độ chênh lệch nhiệt độ bên trong và bên ngoài buồng sương càng tốt thì TN xảy ra càng nhanh và các tia quan sát càng rõ ràng hơn