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简介

核反应是一种产生能量的方法。 这些核电厂通常是安全的, 但是偶尔会发生危险的放射性物质泄露的事故。 你或许已经读到过核灾难, 例如那些发生在切尔诺贝利,三里岛,和福岛的核灾难, 在新闻或者历史课文里。 像这些灾难需要很多年,甚至数十年才能清理干净, 而且更长的时间人在附近居住不安全。 为什么辐射能持续这么长时间? 在这种(绝对安全的!)活动中, 你将会用硬币来了解放射性衰变。

第 1 段(可获 1.19 积分)

背景

所有物质都是由原子组成的。某些原子是具有“放射性的”,表明他们最终会衰变,或者“分解”成其他原子。在分解过程中,原子释放出辐射。有些辐射在我们日常生活中很常见,例如无线电波和可见光,他们都是很安全的;另一些辐射,例如X光和伽马射线,他们会对人体产生伤害。这些类型的原子通常被用作核反应堆的燃料,所以核反应堆会产生致命辐射,这就是为什么要让这些燃料存放在安全的地方。因此一旦发生核反应堆爆炸并引发了地震——就像福岛核电站的情形,一些放射性元素发散到周围的空气、土壤和水中,就会导致核泄漏。

第 2 段(可获 1.7 积分)

放射物质的衰变是一个随机的过程, 有点像抛硬币或是掷色子。 在任何给定的时刻,原子将有衰变的可能性。 但它们也有始终保持不变的可能性。 用以测量放射性物质衰变几率的叫“半衰期”。半衰期描述多长时间, 通常,它需要直到只剩下二分之一原始放射性原子。 不同原子的半衰期相差很大–有些不到一秒, 其他的数千年甚至数百万年。 在这个活动中,你将通过抛硬币模拟放射性衰变。 硬币落下反面朝上“衰变”,正面朝上的硬币则保持不变。 这将使你更多的了解核衰变的过程–没有使用任何放射性物质!

材料

  • 大约120枚硬币(这可以是便士, 五分镍币,一角硬币和其他硬币的混合)
  • 可密封的塑料袋
  • 平桌面用来数硬币
  • 纸或是笔记本
  • 铅笔

准备

  • 把你所有的材料集合在工作区。
  • 放正好100个硬币在密封袋里。
第 3 段(可获 2.34 积分)

步骤

  • 剧烈摇动塑料袋几秒钟。
  • 打开塑料袋,把硬币小心的倒在桌面上。 小心不要倒的太快, 否则它们会滚到地板上。
  • 把硬币分成两堆:正面和反面。 大约有多少硬币正面朝上, 多少反面朝上?二者之间的比例是多少?
  • 数一下正面朝上的硬币个数。把数字记下来。
  • 把反面朝上的硬币收起来。 把正面朝上的硬币放回到袋子里。
  • 再次摇动袋子,重复上面的过程。 把硬币倒出来,正面和反面分开。 数一下正面的个数,把数字记下来, 把正面的放回到袋子里。 每次你得到的正面和反面的比例是多少?
  • 重复这过程直到没有正面的硬币被放回到袋子里, 100枚硬币已经全部被留出来了。
  • 现在,看看你写下的数字。 堆积与每个数字相同数量的硬币, 把每堆硬币相互紧挨着按顺序排成一条线(这样你正在用一堆堆的硬币做一个“图表”, 而不是在纸上画一个)。 注意你可能需要额外的硬币(例如, 假定你写下了这些数字56, 25,13,6,3和1。加起来共104枚硬币, 所以即使做实验你只用了100枚硬币, 你却需要104枚去做图表因为一些硬币多次逗留在“正面朝上”的堆里。 你的“图表”看起来像什么? 它形成了一条直线,还是不同的形状? 多少个回合后才没有剩下硬币?
  • 附加 重复几次上面的活动。 你是否每次都能得到恰好相同的结果呢?
  • 附加 用不同数量的硬币重复该活动。 用200枚硬币进行时发生了什么, 只有50枚的时候呢?结果图是否有相同的形状, 或者不同?
  • 附加 用秒表测定你摇动袋子的时间来模拟物质不同的半衰期, 然后当你做图表时用尺子量出硬币堆的间隔来代表时间。 例如,假设你摇动袋子十秒, 你可以以10厘米的间隔放置硬币堆。 这个图表怎样与你摇动袋子20秒的图表相比? 如果两者都是用100枚硬币进行的呢? 对有较长半衰期的物质这意味着什么?
第 4 段(可获 5.68 积分)

观测和结果

你应该看到,口袋里的硬币数量大约是在减少,但每次计算正面和反面个数并不是恰好半对半。例如,即使你每次开始都有100个硬币,这并不意味着你在第一次摇晃袋子的时候将会有50个正面和50个反面。你可能会得到56个正面和44个反面,或49个正面和51个反面。每一次你将失去大约一半的硬币,在大约六轮之后就没有硬币是正面的了。这时你又从100开始(记住,摇硬币是一个随机过程,所以你每一次摇动的结果不会完全相同)。硬币减少的曲线不是一条直线。相反,它是一个指数曲线,开始很陡,但后来逐渐平缓直至减少到零。如果你开始的时候使用更多或更少的硬币,让硬币为零需要摇晃袋子的轮数会改变,但曲线的形状将保持不变。

第 5 段(可获 2.3 积分)

这就是环境中的辐射污染具有危险性且难以清除的原因。 即使起初大量的物质可能很快衰减了, 少量物质依然能持续很长时间。 例如,切尔诺贝利灾难中的一些污染物质有约30年的半衰期 想象一下,你能重新做这个实验,等30年直到你能重复每个回合。 过了100多年可能仍将会有一些硬币留下来!那就是为什么, 即使切尔诺贝利灾难发生在1986年, 该地区依旧对人类居住存在安全隐患的原因。

该活动的灵感来自于北卡罗莱纳州立大学的“原子的糖果”。

第 6 段(可获 1.4 积分)

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