Η Πυρηνική Επιστήμη στην Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση

Παναγιωτάκος, Ιωάννης

Nuclear Science in Secondary Education

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Παναγιωτάκος, Ιωάννης

Date

2022-02

Advisor

Δελή, Ερμιόνη
Μπέλεση, Βασιλική

Διπλωματική Εργασία (2.490Mb)

Keywords

Πυρηνική φυσική ; Αέριο Fermi ; Radiochronology web-quest ; Πρότυπο των φλοιών ; Μοντέλο υγρής σταγόνας ; Πυρηνικές διασπάσεις ; Διδακτική πυρηνικής φυσικής ; Nuclear physics ; Nuclear structure ; Shell model ; Fermi gas ; Liquid drop model ; Nuclear physics teaching ; Ιστοεξερεύνηση ραδιοχρονολόγησης

Abstract

Στην παρούσα εργασία αρχικώς γίνεται μία ανασκόπηση των βασικών αρχών και της ιστορίας της πυρηνικής φυσικής. Η έννοια των ατόμων ξεκινά από την αρχαιότητα με τον Δημόκριτο και συνεχίζει τον 19ο και 20ο αιώνα με τον Rutherford και τους θεμελιωτές της κβαντικής Μηχανικής. Το άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα νετρονίων και πρωτονίων και από ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω του. Αναλόγως του αριθμού των πρωτονίων νετρονίων οι πυρήνες τοποθετούνται στον πίνακα νουκλιδίων, ένα πολύ βασικό εργαλείο που αναλύεται στην εργασία, όπως και οι κλίμακες των πυρηνικών μεγεθών. Τα νουκλεόνια κρατούνται δέσμια εντός του πυρήνα μέσω της πυρηνικής δύναμης, που σύμφωνα με τον Yukawa, περιγράφεται με ανταλλαγή πιονίων. Εξ' αιτίας της περίπλοκης και εν μέρει άγνωστης φύσης της πυρηνικής δύναμης, υπάρχει μία σειρά μοντέλων που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή τη δομής του πυρήνα. Τα σημαντικότερα είναι το μοντέλο της Υγρής Σταγόνας, το Πρότυπο του Αερίου Fermi και το Μοντέλο των Φλοιών. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν και οι διασπάσεις, καθώς ένας ασταθής πυρήνας μπορεί να διασπαστεί με εκπομπή πυρήνων ηλίου-4 (α-διάσπαση), με εκπομπή ηλεκτρονίων (β-διάσπαση) ή με εκπομπή φωτονίων (γ-διάσπαση). Ο ρυθμός των διασπάσεων ενός δείγματος εξαρτάται από τον χρόνο ημιζωής του πυρήνα, δηλαδή τον χρόνο που ένα δείγμα πυρήνων θα έχει χάσει την μισή ποσότητά του. Σημαντική εφαρμογή των προαναφερόμενων είναι η ραδιοχρονολόγηση με άνθρακα-14, που βασίζεται στην β-διάσπαση του άνθρακα-14 και χρησιμοποιείται στην αρχαιολογία. Επιπροσθέτως, γίνεται αναφορά στην διδασκαλία της πυρηνικής φυσικής στην Δευτεροβάθμια εκπαίδευση. Το πεδίο της πυρηνικής επιστήμης, είναι συνήθως εκτός της διδακτέας ύλης και τα κεφάλαια τα οποία την εξετάζουν παραμένουν στην επιφάνεια της ύλης σε σύγκριση με τα διεθνή πρότυπα. Αυτό έρχεται σε αντίφαση με την μείζονα σημασία της πυρηνικής επιστήμης για τις επόμενες γενιές. Συμπερασματικά, η πυρηνική φυσική είναι ένας πολύπλοκος κλάδος που θα διαδραματίσει έναν σημαντικό ρόλο στην κοινωνία του αύριο και μέχρι στιγμής δεν εξετάζεται επαρκώς στην Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση. Παρόλο της ύπαρξης πρακτικών προβλημάτων της εργαστηριακής άσκησης των μαθητών στην Πυρηνική Επιστήμη, αυτά μπορούν να επιλυθούν με την χρήση προσομοιώσεων. Στα πλαίσια της εργασίας, x παρατίθεται ένα διδακτικό σενάριο ιστοεξερεύνησης για την Ραδιοχρονολόγηση. Το σενάριο προορίζεται για το μάθημα της Χημείας Γενικής Παιδείας της Α' Λυκείου.

Abstract

In this work, first of all the basic principles of Nuclear Physics and its history are discussed. The concept of atoms was introduced by Demokritus at ancient times and continues to the 19th and 20th centuries with Rutherford and the founders of Quantum Mechanics. The atom, is composed of a nucleus of protons and neutrons and electrons around it. With respect to the number of protons and neutrons, nuclei are inserted into the chart of nuclides, a very useful construct that is discussed, along with the scales of nuclear quantities. The nucleons are bound inside the nucleus via the nuclear interaction, which according to Yukawa can be described by the exchange of pions. Due to the complicated and obscure nature of the nuclear force, there is a wide variety of models that can be used to describe the nuclear structure. The most important are the Liquid Drop, the Fermi Gas and the Shell Model. The nuclear decays are also show particular interest, as an unstable nucleus can decay by emission of, he-4 nuclei (alpha-decay), electrons (beta-decay) or photons (gamma-decay). The rate of decay depends upon the half life of the nucleus, i.e., the time that a sample of nuclei loses half of its amount. An important application of the aforementioned is the Radiochronology with C-14, which is based on beta-decay and is used in archeology. Additionally, the teaching of nuclear physics in Secondary Education is discussed. The field of nuclear science is usually not taught, while the chapters discussing the subject remain on the surface, when compared to international standards. This is in contradiction to the nuclear physics’ central role for future generations. In conclusion, nuclear physics is a complicated subject that will play a crucial role in the future society and until now is not properly discussed in high school. While there are practical issues with the student's nuclear physics lab-training, these could be solved with simulations. As a part of this work, we present a web-quest Teaching Scenario regarding Radiochronology. This scenario is made for 7th grade high school students as a part of the Chemistry Subject.