SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BAN TỔ CHỨC CUỘC THI “KHOA HỌC KỸ THUẬT” Cuộc thi “ Khoa học Kỹ thuật dành cho học sinh phổ thông tỉnh CHẾ TẠO THIẾT BỊ QUAN SÁT CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC HẠT PHÓ
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BAN TỔ CHỨC CUỘC THI “KHOA HỌC KỸ THUẬT”
Cuộc thi “ Khoa học Kỹ thuật dành cho học sinh phổ thông tỉnh
CHẾ TẠO THIẾT BỊ QUAN SÁT CHUYỂN
ĐỘNG CỦA CÁC HẠT PHÓNG XẠ
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đề tài này, trước hết chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường THPT Đơn Dương đã truyền thụ cho chúng em những kiến thức quý báu trong thời gian qua
Đặc biệt chúng em xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới Giáo viên Vật lý tại trường đã trực tiếp tận tình hướng dẫn giúp chúng em nghiên cứu, hoàn thành đề tài này
Đồng thời, qua đây cho chúng em gửi lời cám ơn đến Ban tổ chức cuộc thi đã tổ
chức cuộc thi để chúng em có cơ hội tham gia, Ban giám hiệu , các thầy cô tổ Lý –TD-GDQP Trường đã tạo điều kiện, giúp đỡ chúng em rất nhiều trong quá trình nghiên
cứu
Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn Các Cô, Chú tại Trung tâm đào tạo, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt đã giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian qua.
Xin chân thành cám ơn!
Trang 3
MỤC L ỤC C
TÓM TẮT NGHIÊN CỨU 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 2
1/Lý do nghiên cứu: 2
2/ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: 2
3/ Mục tiêu nghiên cứu: 2
4/ Giới hạn phạm vi nghiên cứu: 2
5/ Phương pháp nghiên cứu: 3
6/Nội dung nghiên cứu 6
7/Những điểm mới của dự án 6
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 6
KẾT LUẬN KHOA HỌC 7
TÀI LIỆU THAM KHẢO 8
Trang 4-TÓM TẮT NGHIÊN CỨU
Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu này nhằm mục đích giúp cho học sinh tìm hiểu và nắm rõ về bức xạ trong tự nhiên và quan sát được chuyển động của các tia phóng xạ như alpha, beta bằng một thiết bị đơn giản, dễ chế tạo và có giá thành rẻ
Thiết bị được chế tạo có thể được phổ biến rộng rãi trong các trường học và cho công chúng muốn tìm hiểu về bức xạ
Trình tự thực hiện
- Tìm hiểu trong sách vở, tài liệu, internet về phóng xạ của vật chất.
- Tìm hiểu cấu tạo, hoạt động của buồng mây (cloud chamber) và cách làm từ các vật liệu đơn giản
- Chuẩn bị vật dụng:
+ 01 hộp nhựa
+ 01 đĩa nhôm
+ 01 dải mút hoặc vải để thấm cồn 900 + 01 chai cồn 900
+ 01 bộ bơm tiêm loại nhỏ;
+ 01 đôi găng tay, giấy bạc, kéo, băng keo;
+ Đá khô;
+ Nguồn phóng xạ;
+ Đèn pin
- Lắp ráp thiết bị;
- Thử nghiệm trên thiết bị đã được chế tạo
Kết quả và kết luận
Kết quả đã chế tạo được một buồng mây, kết quả thử nghiệm cho thấy đề tài đã đạt được mục tiêu đề ra là chế tạo thiết bị đơn giản, rẻ tiền để quan sát di chuyển của các hạt phóng xạ
Trang 5GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1/ Lý do nghiên cứu:
Thời trung cổ các nhà giả kim thuật đã tốn nhiều công sức để cố gắng biến đổi nguyên tố hóa học này thành nguyên tố hóa học khác Mục đích thật sự của họ là sản xuất ra các kim loại qúi như vàng, bạc, bạch kim Họ không thành công vì cơ sở khoa học vào thời đó còn hạn chế Tuy nhiên, thực tế thì hạt nhân của nguyên tử không phải
là bất biến mà có thể biến đổi thành các hạt nhân khác, thậm chí ở những điều kiện bình thường
Thế giới chúng ta đang sống có chứa nhiều chất phóng xạ và điều này đã xảy ra ngay từ khi hình thành nên trái đất Có trên 60 nhân phóng xạ được tìm thấy trong tự nhiên Nguồn gốc của các nhân phóng xạ này có thể phân thành ba loại chính sau:
- Các nhân phóng xạ có từ khi hình thành nên trái đất còn gọi là các nhân phóng xạ nguyên thủy
- Các nhân phóng xạ được hình thành do tương tác của các tia vũ trụ với vật chất của trái đất
- Các nhân phóng xạ được hình thành do con người tạo ra
Các nhân phóng xạ được hình thành do hai nguồn gốc đầu được gọi là các nhân phóng xạ tự nhiên còn các nhân phóng xạ do con người tạo ra được gọi là các nhân phóng xạ nhân tạo So với lượng phóng xạ tự nhiên thì lượng phóng xạ do con người tạo ra là rất nhỏ Tuy nhiên, một phần lượng phóng xạ này đã bị phát tán vào trong môi trường của thế giới chúng ta Vì vậy chúng ta có thể phát hiện thấy các nhân phóng xạ
tự nhiên và nhân tạo có mặt ở khắp mọi nơi trong các môi trường sống như đất, nước
và không khí
Các nhân phóng xạ nguyên thủy phổ biến nhất là 238U, 232Th, 235U và các sản phẩm phân rã của chúng, còn có một số các nhân phóng xạ khác ít phổ biến hơn và thường có thời gian sống dài hơn nhiều gồm: 50V, 113Cd, 115In, 123Tc, 138La, 142Ce, 144Nd, 147Sm, 152Gd, 174Hf, 176Lu, 187Re, 190Pt, 209Bi Trong môi trường đất thường có mặt các nhân phóng xạ của ba chuỗi phóng xạ 238U, 232Th và 235U Các nhân phóng xạ này là các nhân bắt đầu của mỗi chuỗi Trong môi trường
Trang 6đất nếu không có các quá trình biến đổi môi trường gây ra sự mất cân bằng phóng xạ thì các chuỗi phóng xạ này thường có cân bằng phóng xạ
Năm 1892 nhà vật lý học người Pháp Becquerel (đạt giải thưởng Nobel năm 1903) quan sát thấy muối Uran (Z=92) và những hợp chất của nó phát ra các tia phóng
xạ Phân tích các tia phóng xạ người ta thấy có 3 loại tia phóng xạ là: tia anpha , tia bêta, tia gamma Những nghiên cứu về bản chất của các hiện tượng phóng xạ chứng tỏ rằng hạt nhân của các nguyên tử phóng xạ không bền, tự phân hủy và phóng ra các hạt vật chất khác nhau như hạt anpha, beta kèm theo bức xạ điện từ như tia gamma Đồng thời với hiện tượng phóng xạ tự nhiên, người ta cũng phát hiện một số loại nguyên tử của một số nguyên tố nhân tạo cũng có khả năng phóng xạ
Như vậy trong tự nhiên phóng xạ có mặt ở khắp nơi đây có thể làm ảnh hưởng đến sức khỏe của chúng ta , là những thành phần bức xạ mà chúng ta không thể phát hiện được chúng bằng các giác quan thông thường mà không cần sự hỗ trợ của các thiết bị chuyên dụng, trong thực tế học sinh đã được học về tính chất của các loại bức
xạ này nhưng chưa có cơ hội quan sát chuyển động thực tế của chúng như thế nào Trong chương trình vật lý phổ thông hiện nay không có bộ thí nghiệm nào để quan sát chuyển động của các hạt phóng xạ Mặc khác, ai cũng nghĩ phải dùng các thiết bị hiện đại, đắt tiền mới quan sát được chuyển động của các hạt vi mô Vì vậy, nghiên cứu chế tạo ra một thiết bị thí nghiệm từ các vật rẻ tiền có sẵn để quan sát chuyển động của các hạt phóng xạ đã được chọn
2/ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
Đề tài nghiên cứu thành công sẽ giúp các học sinh có thể tự làm dụng cụ để quan sát chuyển động của các hạt mang điện từ các vật liệu rẻ tiền, có sẵn trên thị trường Việc dạy và học về các hạt mang điện, các tia phóng xạ hay thế giới vi mô sẽ trở nên trực quan sinh động hơn Đề tài sẽ góp phần nào giúp các bạn học sinh yêu môn vật lý, yêu khoa học hơn và thúc đẩy sự tìm tòi khám phá, khơi dậy niềm đam mê khoa học của các bạn học sinh
3/ Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu chế tạo ra thiết bị quan sát chuyển động của các hạt mang điện cho học sinh sử dụng và có thể tự làm Nội dung nghiên cứu cụ thể gồm:
+ Nghiên cứu chọn lựa vật liệu rẻ tiền để sử dụng làm thiết bị;
Trang 7+ Nghiên cứu lựa chọn điều kiện tối ưu để quan sát;
+ Nghiên cứu viết quy trình thí nghiệm đơn giản, dễ hiểu và dễ thực hiện
4/ Giới hạn phạm vi nghiên cứu:
Trong khuôn khổ đề tài, chỉ nghiên cứu tạo ra buồng mây (hơi sương) để quan sát chuyển động của các hạt bức xạ hoặc mang điện chứ không nghiên cứu tạo ra nguồn bức xạ để quan sát.
5/ Phương pháp nghiên cứu:
Lý thuyết kết hợp thực nghiệm, phần lý thuyết dựa trên cơ sở của buồng Wilson, phần thực nghiệm tiến hành làm thử với một số vật liệu và kích thước khác nhau để chọn ra vật liệu rẻ tiền thích hợp nhất.
Quy trình chế tạo sản phẩm
-Bước 1: Chuẩn bị vật dụng:
+ 01 hộp nhựa;
+ 01 đĩa nhôm;
+ 01 dải xốp hoặc vải để thấm cồn 900;
+ 01 chai cồn 900;
+ 01 bộ bơm tiêm loại nhỏ;
+ 01 đôi găng tay, giấy bạc, kéo, băng keo;
+ Đá khô;
+ Nguồn phóng xạ ( nguồn Urani, đất đen, đá vôi, than đá, tia vũ trụ, bức xạ tự nhiên);
+ Đèn pin (công suất > 25W);
Trang 8-Bước 2: Tiến hành lắp ráp dụng cụ:
+ Dùng hộp nhựa đường kính khoảng 10cm sau đĩ khoét một lỗ cĩ kích thước thích hợp bên thành hộp để đặt nguồn
+ Đĩa nhơm một mặt được sơn đen (mặt hướng vào trong hộp)
+ Lắp một dải xốp hoặc vải đặt phía trong và bên trên của hộp để thấm
và giữ cồn
+ Dùng giấy bạc để bọc bên ngồi tại vị trí tiếp xúc hộp nhựa và đĩa nhơm sao cho thật kín và khơng để lọt khơng khí vào
-Bước 3: Thử nghiệm: 10 lần đối với nguồn Urani và 10 lần đối với các loại nguồn khác
Trang 9 Phương pháp thử nghiệm qua thực tế:
-Tiến hành thí nghiệm trên dụng cụ theo các bước sau:
Bước 1: Bơm cồn vào miếng xốp (vải) ở phía trong thành hộp.
Bước 2: Đặt nguồn phóng xạ vào bên trong.
Bước 3: Để hơi cồn trong hộp đạt trạng thái bão hòa.
Bước 4: Đặt hộp lên đá khô sao cho đá khô tiếp xúc với tấm kim loại Bước 5: Tắt đèn phòng thí nghiệm sau đó dùng nguồn sáng chiếu bên
trên hoặc thành bên của hộp để quan sát chuyển động của các hạt phát ra từ nguồn phóng xạ
Trang 10- Sau khi hồn thành sản phẩm tiến hành thử nghiệm: Trong 10 lần thử nghiệm đối với nguồn Urani cho kết quả như mong muốn, 10 lần thử nghiệm đối với các loại nguồn khác thì đối với đất đen cĩ quan sát được một số vết di chuyển của các tia phĩng xạ, cịn các nguồn khác khơng quan sát được
Lưu ý: Cẩn thận khi sử dụng đá khơ vì nhiệt độ của loại đá này rất thấp cĩ thể
gây ra bỏng lạnh khi tiếp xúc trực tiếp, do dĩ trong qua trình thao tác cần phải đeo găng tay bằng vải đủ dầy để tránh tiếp xúc trực tiếp khi thao tác
6/ Nội dung nghiên cứu
- Bước 1: Tìm hiểu lý thuyết
- Bước 2: Chuẩn bị dụng cụ
- Bước 3: Lắp ráp dụng cụ
- Bước 4: Thử nghiệm: 20 lần
- Bước 5: Phân tích kết quả thu được
7/Những điểm mới của dự án
- Bộ dụng cụ này tại Việt Nam chưa cĩ tại các trường phổ thơng.
- Dụng cụ được làm từ các vật liệu rẻ tiền và cĩ sẵn trên thị trường, ai cũng cĩ thể làm được.
Trang 11KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Dưới tác dụng làm lạnh của đá khô được đặt phía dưới và bên ngoài (tiếp xúc với tấm kim loại) của hộp thí nghiệm thì khi đó hơi cồn bên trong hộp di chuyển đi xuống và được làm lạnh đến khi đạt trạng thái bão hòa Các hạt điện tích (hạt anpha, beta) chuyển động xuyên qua môi trường hơi cồn bão hòa này sẽ sinh ra các hạt ion dương và ion âm Các hạt này sẽ tạo thành các tâm ngưng tụ và tạo thành một vệt khi rọi ánh sáng vào và chúng ta có thể quan sát được đường đi của các hạt tia phóng xạ di chuyển tạo ra
-Hình ảnh quan sát được:
- Qua nhiều lần thực hiện vẫn cho kết quả như trên
KẾT LUẬN KHOA HỌC
Kết quả đạt được từ thí nghiệm phù hợp với lý thuyết chúng em đã học và tìm hiểu trong môn Vật lý Từ các dụng cụ đơn giản, dễ tìm, giá thành thấp có thể phổ biến rộng rãi đối với trường học, công chúng, cá nhân có nhu cầu chế tạo và sử dụng bộ thí nghiệm này để kiểm tra phóng xạ tại môi trường mình đang học tập và sinh sống Việc chế tạo bộ thí nghiệm quan sát chuyển động của các hạt phóng xạ sẽ giúp học sinh hiểu thêm về tính chất của các thành phần bức xạ trong tự nhiên cũng như vận dụng các kiến thức trong môn vật lý vào thực tế, thực hành, rèn luyện kỹ năng thực hành thí nghiệm, Đặc biệt còn kích thích học sinh say mê, sáng tạo trong học tập, kết hợp trau dồi kỹ năng áp dụng giữa lý thuyết vào thực hành và lòng say mê khoa học
Trang 12Hiện nay bộ thí nghiệm của chúng em đang còn bị hạn chế thành phần vật liệu
đá khô do tại tỉnh của chúng ta không có sẵn loại đá này mà phải đặt mua tại Thành Phố Hồ Chí Minh, thiết bị bảo quản cũng chưa có nên 1kg đá khô chỉ giữ được khoảng
2 ngày là tan hết Trong thời gian tới chúng em sẽ nghiên cứu sử dụng chất làm lạnh được lâu hơn
Bộ thí nghiệm “Quan sát chuyển động của các hạt mang điện tích” có những ưu điểm sau:
- Có tính khả thi cao, chi phí thấp
- Sản phẩm có cấu tạo đơn giản, dễ lắp đặt, vận hành và sửa chữa
- Thí nghiệm đơn giản dễ quan sát
- Có thể phổ biến rộng rãi cho công chúng
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Sách giáo khoa vật lý 12
[2] Sách ‘ Cơ sở vật lý hạt nhân’ tác giả Bùi Quang Huy
[3] Tài liệu “Huấn luyện an toàn Bức xạ” của TS Nguyễn Xuân Hải.
[4] HOW-TO: Make a cloud chamber
[5]Cloud Chamber Experiment
https://www.nuc.berkeley.edu/news-events/events/teachers-workshop/cloud-chamber-experiment
Đơn Dương, ngày 22 tháng 12 năm 2014 Người viết
(Thay mặt nhóm nghiên cứu)
Phạm Trần Bảo Khang