Recurs educatiu: Models atòmics i radioactivitat

Recurs educatiu: Models atòmics i radioactivitat

3r ESO | Física i química

El recurs educatiu que es proposa a continuació s’emmarca en el currículum acadèmic corresponent al Bloc 2 sobre “La matèria” de l’assignatura de Física i Química de 3r de l’ESO. Concretament, el contingut d’aquest recurs correspon als Punts 6 i 7: l’estructura i els models atòmics, els isòtops i la radioactivitat.

Activitat curta

SESSIÓ INTRODUCTÒRIA: Què en sabem de l’àtom?

  • Durada: 30 min
  • Espai: Aula amb pissarra, ordinador, pantalla i projector
  • Material: Ordinadors, tauletes o mòbils

Objectius:

  • Conèixer el concepte d’àtom, com a unitat bàsica que forma la matèria. Descriure les característiques bàsiques de les partícules subatòmiques i la seva localització en l’àtom.
  • Conèixer els principals models atòmics proposats al llarg de la història i les seves diferències. Entendre que són instruments interpretatius de les diferents teories científiques i reconèixer la seva utilitat en la millora de la comprensió de l’estructura interna de la matèria.

Continguts teòrics:

Tota la matèria de l’Univers està formada per àtoms. La idea bàsica que la matèria està formada per petites partícules indivisibles és molt antiga, i es basava en el raonament filosòfic més que en el raonament científic. De fet, la paraula àtom prové del grec ἄτομος, unió de α (a, que significa «sense») i τόμος (tomos, «secció»), que literalment significa «que no es pot tallar, indivisible».

Fonamentalment, l’àtom està format per protons, electrons i neutrons. El protó té una massa d’1 unitat de massa atòmica (u) o dalton (Da), l’electró és aproximadament 1840 vegades més lleuger que el protó (1/1840 u), i el neutró té una massa pràcticament equivalent a la del protó (1u). La càrrega del protó és +1, l’electró té càrrega -1 i el neutró té càrrega 0.

La concepció de l’àtom que s’ha tingut al llarg de la història ha variat d’acord amb els descobriments científics realitzats. Alguns dels models atòmics ja estan obsolets per explicar els fenòmens observats actualment, però d’altres, com el model atòmic de Rutherford o el de Bohr, entre d’altres, ens permeten abordar per primera vegada el concepte de l’àtom amb els estudiants de 3r d’ESO.

El model de Rutherford diu que al nucli de l’àtom es troben els protons i els neutrons. El nucli és molt petit, però no obstant, en ell s’hi troba concentrada pràcticament tota la massa de l’àtom. A l’escorça de l’àtom s’hi troben els electrons donant voltes al nucli, que a diferència dels protons i els neutrons no pesen pràcticament gens. Així, la realitat és que l’àtom està format majoritàriament per espai buit.

El model atòmic de Bohr afegeix que els electrons no es mouen per qualsevol lloc, sinó que només ho poden fer a distàncies concretes del nucli, en determinades òrbites. Això vol dir que l’àtom està quantitzat. Perquè un electró passi d’una òrbita a una altra, aquest ha de guanyar o perdre una quantitat justa d’energia. Els electrons poden passar a òrbites superiors guanyant una quantitat determinada d’energia o baixar a òrbites inferiors emetent una quantitat concreta d’energia. 

Desenvolupament de la sessió:

  • Pluja d’idees: Escriure a la pissarra i dinamitzar totes les intervencions i aportacions de l’alumnat a la pregunta de la sessió introductòria d’avui: Què en sabeu de l’àtom?.
  • Activitat per parelles:
  1. Comencem l’activitat demanant a l’alumnat que mitjançant ordinador, tauleta o mòbil accedeixi a Mentimeter (www.mentimeter.com) i introdueixi el codi numèric d’accés.
  2. Cal que quedi clar que tota la matèria de l’Univers està formada per àtoms. L’objectiu de la sessió és conèixer la seva estructura i propietats, i els models científics que han contribuït a la seva descoberta i caracterització al llarg de la història. 
  3. La primera pregunta de Mentimeter és Quins elements té un àtom?. L’alumnat ha d’escriure des del seu dispositiu electrònic aquells elements que coneix o pensa que hi poden estar relacionats. Es mostra a continuació un exemple del resultat d’aquesta activitat en la Figura 1.
  4. A continuació reflexionarem conjuntament amb l’alumnat sobre els elements que inclou un àtom, sense concretar exactament on ni com, però sí que donant informació sobre la seva massa i càrrega elèctrica; introduint d’aquesta manera la següent activitat sobre els models atòmics.
  5. A través de Mentimeter demanarem que responguin a la pregunta Quin és el model atòmic més actual? d’entre les quatre imatges (A-D) proposades a la Figura 2.
  6. Independentment de si les respostes de l’alumnat són correctes, reflexionarem conjuntament sobre els diferents models: les semblances i diferències entre ells a partir de les figures, i les descripcions que en van fer els científics que els van proposar (relació que es mostra a la Figura 3).
  7. Per últim i per cloure l’activitat, projectarem dos vídeos per il·lustrar i reforçar els conceptes introduïts durant la sessió:

    Los modelos atómicos en el tiempo (1:02 minuts, castellà)
    The Amazing Atoms (1:37 minuts, anglès)




Figura 1 (esquerra). Exemple del resultat de l’activitat de Mentimeter en resposta a la pregunta «Quins elements té un àtom?».
Figura 2 (dreta). Exemple de la pregunta de Mentimeter sobre «Quin és el model atòmic més actual?».
Figura 3. Representació i característiques dels diferents models atòmics i relació amb l’any i l’autor del seu descobriment.


Avaluació:

Per avaluar l’activitat i reforçar els conceptes introduïts durant la sessió, demanarem a l’alumnat:

  • Indicar en el model atòmic de Bohr la localització de les partícules subatòmiques, la seva denominació i característiques bàsiques de massa i càrrega abans de la propera sessió.
  • Tenint en compte que tots els models atòmics exposats els proposaren investigadors homes, demanarem com a tasca una producció escrita sobre referents femenins que hagin contribuït a aquest camp de la recerca atòmica i nuclear, com per exemple Marie Skłodowska Curie, pionera en l’estudi de les radiacions i primera dona en rebre un Premi Nobel l’any 1903.

Activitat llarga

SESSIÓ D’APROFUNDIMENT: Treball cooperatiu

  • Durada: 90 minuts
  • Espai: Aula amb pissarra, ordinador, pantalla i projector
  • Material: Ordinadors portàtils

Objectius:

  • Representar l’àtom amb la notació XAZ, a partir del nombre atòmic i el nombre màssic, per determinar el nombre de cadascun dels tipus de partícules subatòmiques bàsiques.
  • Conèixer la utilitat científica i tecnològica dels isòtops radioactius, la problemàtica dels residus originats i les solucions per gestionar-los.

Continguts teòrics:

En els àtoms neutres, el nombre de protons és igual al nombre d’electrons. El nombre de protons acostuma a ser semblant al nombre de neutrons, però no necessàriament ha de ser igual. 

Quan un àtom perd electrons, queda carregat positivament i l’anomenem catió. Quan un àtom guanya electrons, queda carregat negativament i l’anomenem anió. Tant els cations com els anions reben el nom d’ions, pel que un ió és un àtom amb càrrega.

Qualsevol element de la taula periòdica es representa per un símbol (X) acompanyat d’un número a la part superior esquerra (A) i un altre nombre a la part inferior esquerra (Z). X és el símbol referent a l’element, Z és el nombre atòmic (número de protons), i A és el nombre màssic (protons més neutrons). 

Els isòtops són àtoms que tenen el mateix número de protons però diferent nombre de neutrons. És a dir, són àtoms que tenen el mateix nombre atòmic (Z) i diferent nombre màssic (A). Per exemple, el carboni 12 (C12) i el carboni 13 (C13) tenen el mateix número de protons (6) i per tant mateix nombre atòmic (Z), però diferent número de neutrons (C12 = 6, C13 = 7) i per tant diferent nombre màssic (A). El C12 i el C13 són isòtops, éssent aquest últim radioactiu.

La radioactivitat és un fenomen físic que té lloc en certes substàncies amb nuclis atòmics inestables degut al seu tamany (massa grans) o a la seva constitució (amb tendència a trencar-se). Per tal d’assolir nuclis atòmics més estables i de menor massa aquestes substàncies es transformen espontàniament perdent energia en forma de radioactivitat. La radioactivitat la poden emetre de tres maneres diferents: emetent radiació alfa, beta o gamma. L’emissió alfa són nuclis d’heli (2 protons i 2 neutrons), les partícules beta són electrons, i la radiació gamma són fotons.

La fissió nuclear és la reacció per la qual un nucli atòmic pesant es trenca per perdre energia en dos o més nuclis lleugers. Aquesta reacció és la que s’utilitza a les centrals nuclears per produir energia. Per contra, la fusió nuclear és la reacció per la qual dos nuclis atòmics lleugers s’uneixen per formar un nucli més pesant. La reacció de fusió d’àtoms d’hidrogen per convertir-los en heli és la que té lloc al Sol, és per això que els científics asseguren que la fusió nuclear serà l’energia del futur.

Els residus de la fissió nuclear són perillosos i són difícils d’eliminar, per això cal dipositar-los en cementiris nuclears, fet que ocasiona molts problemes. Per contra, la fusió nuclear, quan s’arribi a aconseguir, no només s’espera que produeixi molta energia a partir de fonts de combustible renovables, sinó que a més no generaria residus radioactius nocius per la salut. 

La radioactivitat es pot utilitzar com a font d’energia, però també té usos en investigació i medicina. Per exemple, el C13 s’utilitza per datar restes arqueològiques, així com en medicina existeix l’especialitat de medicina nuclear, que utilitza la radioactivitat per atacar malalties com el càncer.

Desenvolupament de la sessió:

  • Comencem l’activitat fent un petit recordatori de les partícules subatòmiques que componen l’àtom i les seves propietats, indicant-ho sobre el model atòmic de Bohr.
  • A partir d’entendre què és un àtom neutre, introduïm els conceptes d’, catió i anió.
  • A continuació projectem a la pantalla una taula periòdica amb l’objectiu de prendre consciència dels diferents elements que la componen i de la manera com estan ordenats. Concretament cal fer atenció a la notació XAZ que ens permet representar els elements químics.
  • A partir d’entendre la notació XAZ, introduïm el concepte d’àtoms isòtops, que alhora ens permet introduir el concepte de radioactivitat
  • Per treballar els usos de la radioactivitat, dividirem la classe en 4 grups d’alumnes, a cadascun dels quals els hi facilitarem un material de partida per a desenvolupar la següent activitat:
  1. Youtube: Escena de la minisèrie “Chernobyl”, HBO (2:06 minuts, anglès)
  2. La Vanguardia: “Cada central de fusió nuclear serà un sol a la Terra”, Jesús Izquierdo
  3. Youtube: ¿Como sabemos la edad de las cosas?, Date un Voltio (3:40 minuts, castellà)
  4. Blog: “De Bosones y Tumores”, Desayuno con Fotones
  • Demanarem a l’alumnat que cada grup busqui informació sobre el tema assignat i prepari una exposició de màxim 20 minuts (15 minuts d’exposició i 5 minuts de preguntes aprox.), per tal de fer entendre bé els conceptes a treballar:
  1. Fissió nuclear
  2. Fusió nuclear
  3. Datació per carboni 14
  4. Medicina nuclear
  • Si ho veuen oportú en funció del tema assignat, demanarem a l’alumnat que incloguin la presentació d’alguna figura científica referent en aquest àmbit de la recerca.

SESSIÓ D’EXPOSICIÓ: Avaluació, coavaluació i autoavaluació

  • Durada: 90 minuts
  • Espai: Aula 
  • Material: Pissarra, ordinador, pantalla i projector

Objectius:

  • Ser capaços d’exposar amb el suport escollit (pòster, diagrama, presentació Power Point, etc.) el tema assignat de manera clara, ordenada i coherent.
  • Avaluar el treball del propi equip així com el treball dels altres grups.

Avaluació: Veure models annexos de coavaluació i autoavaluació (Figura 4 i 5, respectivament).

  • Rúbrica de coavaluació: la complimenta cada grup oient per consens dels seus membres un cop ha escoltat l’exposició del grup de torn. El professor utilitza per a l’avaluació el mateix model de coavaluació.
  • Rúbrica d’autoavaluació: la complimenta de manera individual cada membre del grup que ha exposat. 


Figura 4. Rúbrica de coavaluació.


Figura 5. Rúbrica d’autoavaluació.

Activitats d’aprofundiment complementàries (opcional)

  • Visita guiada a la Central Nuclear de Vandellòs (1 dia).
  • Visualització de la pel·lícula “El Síndrome de China” (2 hores).
  • Avaluació individual (examen) a partir d’una selecció dels continguts bàsics a retenir (1 hora).


Leave a Comment

Your email address will not be published.

*