【精品】高三物理 第二十二章 原子核六、裂变(第一课时)

用心 爱心 专心 1 第六节第六节 裂变裂变 本节教材分析 本节教材在学生了解了核能概念的基础上 进一步探讨释放核能的一条途径 重核 的裂变 考虑到大多数学生的接受水平 教材中没有引入结合能和核子平均结合能的概念 而 引入了核子平均质量的概念并根据核子平均质量曲线说明重核裂变或轻核聚变都能产生较 大的质量亏损而释放巨大的核能 进而说明裂变和聚变是释放核能的两条途径 有关重核的裂变和链式反应的概念 学生在初中时就学过 教学中可在初中内容的基础 上结合前面的内容说明 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 不是由于功率太小 就是因为粒子轰击原子核发生反应的概率太小而不能用来作为有效地 利用巨大核能的手段 而裂变反应中的链式反应就使得这种 潜伏 在核内的巨大能量被有 效地利用成为可能 有关核反应堆和核电站的内容 学生在初中也学过 但是初中主要是在核电站的结构 上作了简单的说明 而没有讲核反应堆的原理 教学中最好指导学生学习 阅读 中有关核 反应堆和增殖反应堆的内容 同时注意介绍我国近年来快速发展的核电站的情况 还应注意通过核的三分裂和四分裂现象是由我国物理学家钱三强 何泽慧夫妇于 1946 年首次在巴黎发现的事实 向学生进行爱祖国 爱科学的教育 教学目标 一 知识目标 1 理解核子平均质量曲线 知道释放核能的两条途径 重核裂变和轻核聚变 2 知道铀核裂变及其链式反应的原理 3 了解核反应堆和核电站的基本原理 二 能力目标 掌握铀核的裂变的核反应方程 会根据其质量亏损计算释放的核能 三 德育目标 通过向学生介绍我国物理学家钱三强 何泽慧夫妇在核裂变反应研究方面的成就向学 生进行爱祖国 爱科学的教育 教学重点 铀核的裂变及其链式反应核 教学难点 核子平均质量曲线及其意义 教学方法 本节内容以教师讲授为主 首先通过研究核子平均质量曲线的特点说明释放核能的两 条途径 重核裂变和轻核聚变 然后重点研究铀核的裂变及其链式反应 最后简单介绍 核反应堆的原理及其应用 核电站 教学用具 投影仪及投影片 多媒体辅助教学系统及课件 课时安排 1 课时 教学过程 一 引入新课 通过上一节的学习 同学们知道在核反应中由于存在质量亏损会释放巨大的核能 那 么怎样才能将核能有效的释放出来为人类的生产和生活服务呢 用心 爱心 专心 2 教师点拨 什么样的核反应才能有效释放核能呢 前面讨论过的原子核的天然衰变 及人工转变过程中都有核能的释放 那能不能有效的加以利用呢 学生思考 教师分析 在原子核天然衰变过程中虽然有核能的释放 但由于大多数天然存在的 放射性元素的半衰期都很长 铀 238 的半衰期大约为 5 亿年 钴 60 的半衰期也要 5 27 年 天然衰变过程通常进行的非常缓慢 方程的功率很小 人又无法控制 除了用于医疗和科 研 作为能源的实用价值不大 在原子核人工转变过程中 虽然也有核能的释放 但由于作 为 炮弹 的入射粒子击中靶核的机会太少了 常常只有几百万分之一 用这样的方法来 获得核能是得不偿失的 那怎样有效获得核能呢 这就是本节要研究的问题 二 新课教学 一 释放核能的途径 1 核子平均质量及其意义 教师点拨 请同学们翻开元素周期表 看看原子核的质量跟原子序数之间有什么关 系 学生回答 随原子序数的增大而增大 但二者并不是简单的正比关系 原子核的质 量也不是核子数的整数倍 教师点拨 想一想 为什么 这是因为核子在结合成原子核时发生质量亏损而造成 的 不同的原子核平均每个核子产生的质量亏损不同 因而释放的能量就不同 核子平均质量越小 其核子结合成原子核时释放的能量就越大 其原子核就越稳定 可见核子平均质量反映了原子核的稳定程度 核子平均质量 原子核的质量与其核子总数的比值 反应原子核的稳定程度 核子 平均质量越小 原子核就越稳定 2 核子平均质量曲线 投影图 22 12 科学家通过精确的实验研究 得出核子平均质量与原子序数之间的关系有如图 22 12 所示的关系 教师点拨 从这个图线中可以得出 原子序数较小的轻核 如 D E F 和原子序 数较大的重核 如 A 其核子平均质量都较大 而原子序数处于中间的中等质量的核 如 B C 其平均核子质量较小 3 释放核能的方法和途径 那么通过什么样的核转变才能使原子核产生质量亏损而释放核能呢 学生回答 使平均核子质量较大的核转变为平均核子质量较小的核 就可以产生质 量亏损而释放核能 教师点拨 那释放核能的具体途径有哪几种 学生回答 把较重的原子核使其分裂转化为较轻的原子核 或把几个较轻的原子核 图 22 12 用心 爱心 专心 3 结合成较重的原子核 教师总结 把较重的原子核使其分裂成较轻原子核而释放核能的核反应叫裂变 把 较轻的原子核结合成较重原子核而释放核能的核反应叫聚变 释放核能的方法 产生质量亏损的核反应 释放核能的途径 裂变和聚变 二 铀核的裂变 1 铀核的裂变反应 1939 年 德国 哈恩和斯特拉斯曼首次发现 23592U 10n 14156Ba 9236Kr 310n 说明 裂变产物不是惟一确定的 有时还会发生三分裂或四分裂 我国物理学家钱三强 何泽慧夫妇 1946 年在巴黎首次发现了铀的三分裂和四分裂 这是我国科学家在核裂变研究 中做出的重要贡献 不过三分裂和四分裂发生的几率很小 分别为二分裂的千分之三和万分 之三 2 释放的核能 学生活动 计算铀核裂变的质量亏损 裂变前的质量 mU 390 3139 10 27 kg mn 1 6749 10 27 kg 裂变后的质量 mBa 234 0016 10 27 kg mKr 152 6047 10 27 kg 3mn 5 0247 10 27 kg 质量亏损 m mU mn mBa mKr 3mn 0 3578 10 27 kg 释放核能 E mc2 201 MeV 平均每个核子释放能量约 1 MeV 说明 如果按照一个铀核裂变释放 200 MeV 的能量来估算 1 kg 铀全部裂变放出的核 能就相当于 2500 t 优质煤完全燃烧时释放的化学能 可见核能是多么巨大的能源 3 链式反应 一般说来 一个铀核裂变总要释放 2 3 个中子 这些中子又引起其他铀核裂变 这样 裂变反应就会不断的进行下去 这就是链式反应如图 22 13 所示 电脑动画演示链式反应的过程 教师点拨 如果对链式反应不加以人工控制 那么它的反应速度将呈几何级数增加 大量的铀核在极短时间内全部裂变就会释放巨大的能量形成爆炸 这就是原子弹的原理 为了使裂变反应的能量平稳的释放 为人类的生产和生活服务 科学家发明了核反应 堆并用于发电 这就是核电站 三 核反应堆及核电站 学生自学 了解以下问题 1 核反应堆 用人工控制链式反应的装置 2 核反应堆的构造原理 投影图 22 14 图 22 13 用心 爱心 专心 4 1 铀棒 核燃料 天然铀或浓缩铀 在天然铀中主要有两种同位素 其中 99 3 是铀 238 0 7 是铀 235 铀 235 俘获各 种能量的中子都能发生裂变 而且俘获能量低的中子 慢中子 发生裂变的几率较大 而 铀 238 只有俘获能量大于 1 MeV 的快中子才能发生裂变 并且几率很小 因此通常用浓缩铀 235 作为核反应堆的燃料 2 减速剂 石墨 重水或普通水 由于裂变产生的中子速度都很大 不容易使铀 235 发生裂变 因此要在铀棒周围放上 减速剂 使快中子跟减速剂的原子核发生碰撞能量减少 变成慢中子 常用的减速剂有石墨 重水或普通水 3 控制棒 镉棒 控制棒通过插入的深度来调节中子的数目以控制链式反应的速度 由于镉具有很强的吸 收中子的能力 控制棒通常用镉做成 3 核电站 利用核能发电的电站 1 能量转换 通过核反应堆将核能转化为热能 再通过汽轮机将热能转化为机械能 最后通过发电机将机械能转化为电能 2 世界各国核电发展情况简介 3 核电站的核辐射防护及核废料处理 三 小结 本节通过核子平均曲线 说明了释放核能的两条途径 裂变和聚变 重点讨论了裂 变及其链式反应的原理 了解了核反应堆的构造原理及其应用 核电站 四 布置作业 阅读课后材料 增殖反应堆 五 板书设计 一 释放核能的途径 1 核子平均质量及其意义 核子平均质量 原子核的质量与其核子总数的比值 反应原子核的稳定程度 核子 平均质量越小 原子核就越稳定 2 核子平均质量曲线及其特点 两头大中间小 3 释放核能的方法和途径 重核裂变或轻核聚变 二 铀核的裂变 1 铀核的裂变反应 1939 年 德国 哈恩和斯特拉斯曼首次发现 23592U 10n 14156Ba 9236Kr 310n 图 22 14 用心 爱心 专心 5 2 释放的核能 E mc2 201 MeV 平均每个核子释放能量约 1 MeV 3 链式反应 三 核反应堆及核电站 1 核反应堆 用人工控制链式反应的装置 2 核反应堆的构造原理 1 铀棒 核燃料 天然铀或浓缩铀 2 减速剂 石墨 重水或普通水 3 控制棒 镉棒 3 核电站 利用核能发电的电站 1 能量转换 核能转化为电能 2 优点 消耗燃料少 功率大 3 核辐射防护及核废料处理 六 本节优化训练设计 1 一个铀 235 吸收一个中子发生核反应时大约放出 196 MeV 的能量 则 1 kg 纯铀 235 完全发生核反应放出的能量为 N0为阿伏加德罗常数 A N0 196 MeVB 235N0 196 MeV C 235 196 MeVD 235 0 N 196 MeV 2 重核裂变和轻核聚变能释放原子能的原因 以下说法正确的是 A 重核和轻核的质量转变为能量 B 重核的质量大 轻核的质量小 C 重核裂变和轻核聚变都有质量亏损 D 在裂变和聚变过程中亏损的质量转化为能量 3 平衡核反应方程 23592U 9038Sr 13654Xe 1010n 在核反应堆中石墨起 的作用 镉棒起 的作用 4 原子核在衰变中若辐射出一个波长为 的 光子 则所引起的质量亏损 m 5 在正负电子对撞机中 一个电子和一个正电子对撞发生湮灭而转化为一对光子 设正 负电子的静止质量在对撞前均为m 对撞前的动能均为E 光在真空中的传播速度为c 普 朗克常量为h 则对撞过程前后比较 质量亏损为 转化成的光子在真空中的波 长等于 6 有效大量释放核能的途径 一是 核 变 另一是 核 变 核电站是利用 核 变 7 23592U 受中子轰击时会发生裂变 产生 13956Ba 和9436Kr 同时放出 200 兆电子伏特的 能量 1 写出核反应方程式 2 现要建设发电能力是 50 kW 的核电站 用铀 235 作为 原子锅炉的燃料 假设核裂变释放的能量全部被用来发电 那么一天需要纯铀 235 的质量为 多大