高中物理 第4章 核能 4.2 核裂变教案 鲁科版选修3-5.doc

第2节核裂变课标要求知识与技能1.知道什么是核裂变2知道什么是链式反应3了解裂变反应堆的工作原理过程与方法通过让学生自己阅读课本，查阅资料，培养学生归纳与概括知识的能力和提出问题的能力情感态度与价值观激发学生热爱科学、探求真理的激情，树立实事求是的科学态度，培养学生基本的科学素养，通过核能的利用，思考科学与社会的关系.课标解读1知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量2知道什么是链式反应，知道链式反应发生的条件3会计算重核裂变过程中释放出的能量4知道什么是核反应堆了解常用裂变反应堆的类型，了解核电站及核能发电的优缺点教学地位本节在学生了解核能概念的基础上，进一步探讨释放核能的一条途径重核的裂变有关重核裂变和链式反应的概念，初中已学过，教学中在初中内容的基础上结合前面学习的内容说明各种天然衰变也好，原子核的人工转变也好，反应中放出的能量不是由于功率大小而是粒子轰击原子核的概率太小，而不能用来作为有效利用巨大核能的手段而裂变反应中的链式反应就使这种潜伏在核内的巨大能量被有效利用有关核反应堆和核电站的内容，学生在初中也学过，教学中最好指导学生学习阅读有关核反应堆和增值反应堆的内容，同时介绍我国近年来快速发展的核电情况，适时对学生进行爱国主义和爱科学教育.新课导入建议故事导入大家都知道在第二次世界大战即将结束的时候，美国于1945年8月6日、9日先后在日本的广岛、长崎上空投下了两颗原子弹，刹那间，这两座曾经十分美丽的城市变成一片废墟大家还知道目前世界上有少数国家建成了许多核电站，我国也相继建成了浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站等我想，现在大家一定想知道原子弹爆炸及核发电的原理，那么，我们这节课就来学习裂变，通过学习，大家就会对上述问题有初步的了解教学流程设计步骤8：先由学生自己总结本节的主要知识，教师点评，安排学生课下完成【课后知能检测】课标解读重点难点1.知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量2知道什么是链式反应3会计算重核裂变过程中释放出的能量4知道什么是核反应堆了解常用裂变反应堆的类型.1.链式反应及其释放能量的计算(重点)2重核裂变的核反应方程式的书写(重点)3链式反应及重核裂变的理解(难点)重核的裂变1.基本知识(1)定义重核分裂为质量较小的核，释放出能量的反应(2)条件中子轰击铀核，一般分裂为质量差不多的两块(3)裂变能核裂变释放的能量，也称核能或原子能(4)链式反应当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子再引起其他铀核裂变，且能不断的继续下去，称为链式反应(5)反应产物u裂变的产物多种多样，其中有代表性的有nusrxe2nnubakr3n.(6)临界体积能够发生链式反应的铀块的最小体积2思考判断(1)原子核释放粒子的过程也是核裂变的过程()(2)用中子轰击重核使之分裂实现核裂变()(3)利用不可控的快中子轰击超过临界体积的铀块产生链式反应制成原子弹()3探究交流重核裂变反应是否满足电荷数守恒？是否满足质量数守恒？【提示】重核裂变反应属于核反应，满足电荷数守恒，质量数守恒裂变反应堆1.基本知识(1)核反应堆：能维持和控制核裂变的装置(2)核反应堆的构成：堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分堆芯：由燃料棒、减速剂和冷却剂组成中子反射层：反射核裂变中产生的中子，使其进一步参加链式反应控制棒：用能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度2思考判断(1)核反应堆可以人工控制核反应速度()(2)减速剂的作用使快中子减速变成慢中子()(3)链式反应一旦形成无法进行人工控制()3探究交流核反应堆中的防护层的构造和作用是什么？【提示】核反应堆中的防护层一般由金属套、防止中子外逸的水层以及1 m2 m厚的钢筋混凝土构成，可以有效地防止射线对人体及其他生命的侵害.铀核的裂变及链式反应【问题导思】1什么是裂变反应？2发生链式反应的条件是什么？1铀核的裂变(1)两种典型的裂变反应：unbakr3nunsrxe2n(2)u核裂变释放的能量是巨大的，平均结合能是7.5 mev.而中等质量的核的平均结合能是8.5 mev，裂变反应中每个核子释放的能量约1 mev.2裂变的解释(1)核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出23个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能3链式反应的条件铀块的体积等于或大于临界体积(铀块的质量等于或大于临界质量)(2013福州检测)关于重核的裂变，以下说法正确的是()a核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量b中子从铀块中通过时，一定发生链式反应c重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小 d重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能 【解析】根据重核发生裂变的条件和裂变释放核能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程释放的能量是远大于其俘获中子时吸收的能量链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生在裂变反应中质量数、电荷数均守恒；即核子数守恒，所以核子数是不会减小的，因此选项a、b、c均错；重核裂变为中等质量的原子核时，发生质量亏损，从而释放出核能，故选d.【答案】d1(2013重庆高考)铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应：unab2n则ab可能是()a.xekrb.bakrc.basr d.xesr【解析】利用质量数守恒和电荷数守恒可以判断出可能的核反应方程选项a不满足电荷数守恒也不满足质量数守恒，选项c不满足电荷数守恒；选项b不满足质量数守恒；只有选项d正确【答案】d裂变反应堆的认识【问题导思】1裂变核反应堆由哪几部分组成？2原子弹的反应和核反应堆的反应一样吗？3为什么用重水和石墨作为减速材料？1核反应堆的组成核反应堆由堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分组成其中控制棒用能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度之所以把它叫做“堆”，是因为世界上第一个核反应堆是用石墨块(用以控制反应速度)和金属铀块(反应燃料)一层一层交替地“堆”起来而构成的2核反应堆与原子弹爆炸的比较原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆(核电站的核心设施)核反应堆是人工控制链式反应的装置3核电站发电的主要原理核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去反应堆放出的热使水变成水蒸气，这些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电这一部分的工作原理和火力发电相同用水(轻水或重水)和石墨作为减速材料，放在燃料棒四周，使中子速度减慢以有助于铀235发生裂变减速后的中子能量最后都变为热能，所以这种速度变慢的中子称为热中子(2013海口检测)关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是()a镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度b用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量c利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量d镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度【解析】镉棒不是离子源不会释放中子，a错误，也不是减速剂，不能使快中子变为慢中子，b、d错误，镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强时，控制棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出，少吸收中子，故c正确【答案】c2在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是()a使用浓缩铀b改变铀块的临界体积c通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制反应速度 d利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度【解析】利用控制系统吸收慢中子，控制链式反应的速度，c选项正确【答案】c综合解题方略重核裂变的特点及规律关于重核裂变，下列说法正确的是()a重核裂变成中等核要吸收能量b中子进入铀块中时，一定能发生链式反应c重核裂变过程中质量数减少d较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出核能【规范解答】中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出能量由此知a错误，d正确当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子如果能引起其他铀核裂变，链式反应才能进行，b错误核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，c错误【答案】d重核裂变的特点及规律1反应特点：重核裂变成中等质量的核2裂变过程满足质量数和电荷数守恒3裂变过程中有质量亏损，放出能量4利用裂变产生的中子轰击其他原子核，发生链式反应【备课资源】(教师用书独具)揭开远古核反应堆的神秘面纱20亿年前，十几座天然核反应堆神秘启动，稳定地输出能量，并安全运转了几十万年之久为什么它们没有在爆炸中自我摧毁？是谁保证了这些核反应的安全运行？莫非它们真的如世间的传言那样，是外星人造访的证据，或者是上一代文明的杰作？通过对遗迹抽丝剥茧地分析，远古核反应堆的真相正越来越清晰地展现在我们面前1972年5月，法国一座核燃料处理厂的一名工人注意到了一个奇怪的现象当时他正对一块铀矿石进行常规分析，这块矿石采自一座看似普通的铀矿与所有的天然铀矿一样，该矿石含有3种铀同位素换句话说，其中的铀元素以3种不同的形态存在，它们的原子量各不相同：含量最丰富的是铀238；最稀少的是铀234；而人们垂涎三尺、能够维持核链式反应的同位素，则是铀235.在地球上几乎所有的地方，甚至在月球上或陨石中，铀235同位素的原子数量在铀元素总量中占据的比例始终都是0.720%.不过，在这些采自非洲加蓬的矿石样品中，铀235的含量仅有0.717%！尽管差异如此细微，却引起了法国科学家的警惕，这其中一定发生过某种怪事进一步的分析显示，从该矿采来的一部分矿石中，铀235严重缺斤短两：大约有200千克不翼而飞足够制造6枚原子弹. 接连几周，法国原子能委员会的专家们都困惑不已直到有人突然想起19年前的一个理论预言，大家才恍然大悟.1953年，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的乔治w韦瑟里尔指出，一些铀矿矿脉可能曾经形成过天然的核裂变反应堆，这个观点很快便流行起来其后不久，美国阿肯色大学的一位化学家黑田和夫计算出了铀矿自发产生“自持裂变反应”的条件所谓自持裂变反应，即可以自发维持下去的核裂变反应，是从一个偶然闯入的中子开始的它会诱使一个铀235原子核发生分裂，裂变产生更多的中子，又会引发其他原子核继续分裂，如此循环下去，形成连锁反应黑田和夫认为，自持裂变反应能够发生的第一个条件就是，铀矿矿脉的大小必须超过诱发裂变的中子在矿石中穿行的平均距离，也就是0.67米左右这个条件可以保证，裂变的原子核释放的中子在逃离矿脉之前，就能被其他铀原子核吸收第二个必要条件是，铀235必须足够丰富今天，即使是储量最大、浓度最高的铀矿矿脉也无法成为一座核反应堆，因为铀235的浓度过低，甚至连1%都不到不过这种同位素具有放射性，它的衰变速率比铀238快大约6倍，因此在久远的过去，这种更容易衰变的同位素所占的比例肯定高得多例如，20亿年前奥克罗铀矿脉形成的时候，铀235所占的比例接近3%，与现在大多数核电站中使用的、人工提纯的浓缩铀燃料的浓度大致相当第三个重要条件是，必须存在某种中子“慢化剂”，减慢铀原子核裂变时释放的中子的运动速度，从而使这些中子在诱使铀原子核分裂时，更加得心应手最终，矿脉中不能出现大量的硼、锂或其他“毒素”，这些元素会吸收中子，因此可以令任何核裂变反应戛然而止最终，研究人员在奥克罗和邻近的奥克罗班多地区的铀矿中，确定了16个相互分离的区域20亿年前，那里的真实环境，居然与黑田和夫描绘的大致情况惊人地相似.1(2010上海高考)现已建成的核电站的能量来自于()a天然放射性元素衰变放出的能量b人工放射性同位素放出的能量c重核裂变放出的能量d化学反应放出的能量【解析】核电站的核心设施就是核反应堆，核反应堆的核心技术就是用人工的方法控制重核裂变链式反应的速度，所以核电站的能量来自重核裂变放出的能量【答案】c2下列关于重核裂变的说法中正确的是()a裂变过程中释放能量b裂变过程中吸收能量c反应过程中质量增加d反应过程中质量减少【解析】重核裂变成两个或多个中等质量的原子核，质量减少，释放出能量【答案】ad3(2013保亭检测)下列核反应中，表示核裂变的是()a.92u90thheb.92un56bakr3nc.psied.behe6cn【解析】裂变是重核俘获中子后分裂成中等质量的原子核，同时还要放出几个中子的过程【答案】b4利用重核裂变释放核能时选用铀235，