2019-2020年高三物理 第二十二章 原子核 六、裂變(第一課時(shí)).doc

2019-2020年高三物理 第二十二章 原子核 六、裂變(第一課時(shí))本節(jié)教材分析本節(jié)教材在學(xué)生了解了核能概念的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討釋放核能的一條途徑重核的裂變.考慮到大多數(shù)學(xué)生的接受水平，教材中沒(méi)有引入結(jié)合能和核子平均結(jié)合能的概念，而引入了核子平均質(zhì)量的概念并根據(jù)核子平均質(zhì)量曲線說(shuō)明重核裂變或輕核聚變都能產(chǎn)生較大的質(zhì)量虧損而釋放巨大的核能，進(jìn)而說(shuō)明裂變和聚變是釋放核能的兩條途徑.有關(guān)重核的裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的概念，學(xué)生在初中時(shí)就學(xué)過(guò).教學(xué)中可在初中內(nèi)容的基礎(chǔ)上結(jié)合前面的內(nèi)容說(shuō)明，各種天然衰變也好，原子核的人工轉(zhuǎn)變也好，反應(yīng)中放出的能量不是由于功率太小，就是因?yàn)榱Ｗ愚Z擊原子核發(fā)生反應(yīng)的概率太小而不能用來(lái)作為有效地利用巨大核能的手段.而裂變反應(yīng)中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就使得這種“潛伏”在核內(nèi)的巨大能量被有效地利用成為可能.有關(guān)核反應(yīng)堆和核電站的內(nèi)容，學(xué)生在初中也學(xué)過(guò)，但是初中主要是在核電站的結(jié)構(gòu)上作了簡(jiǎn)單的說(shuō)明，而沒(méi)有講核反應(yīng)堆的原理.教學(xué)中最好指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“閱讀”中有關(guān)核反應(yīng)堆和增殖反應(yīng)堆的內(nèi)容，同時(shí)注意介紹我國(guó)近年來(lái)快速發(fā)展的核電站的情況. 還應(yīng)注意通過(guò)核的三分裂和四分裂現(xiàn)象是由我國(guó)物理學(xué)家錢(qián)三強(qiáng)、何澤慧夫婦于1946年首次在巴黎發(fā)現(xiàn)的事實(shí)，向?qū)W生進(jìn)行愛(ài)祖國(guó)、愛(ài)科學(xué)的教育.教學(xué)目標(biāo)一、知識(shí)目標(biāo)1.理解核子平均質(zhì)量曲線，知道釋放核能的兩條途徑重核裂變和輕核聚變2.知道鈾核裂變及其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的原理3.了解核反應(yīng)堆和核電站的基本原理.二、能力目標(biāo)掌握鈾核的裂變的核反應(yīng)方程，會(huì)根據(jù)其質(zhì)量虧損計(jì)算釋放的核能.三、德育目標(biāo)通過(guò)向?qū)W生介紹我國(guó)物理學(xué)家錢(qián)三強(qiáng)、何澤慧夫婦在核裂變反應(yīng)研究方面的成就向?qū)W生進(jìn)行愛(ài)祖國(guó)、愛(ài)科學(xué)的教育.教學(xué)重點(diǎn)鈾核的裂變及其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)核.教學(xué)難點(diǎn)核子平均質(zhì)量曲線及其意義.教學(xué)方法本節(jié)內(nèi)容以教師講授為主，首先通過(guò)研究核子平均質(zhì)量曲線的特點(diǎn)說(shuō)明釋放核能的兩條途徑重核裂變和輕核聚變，然后重點(diǎn)研究鈾核的裂變及其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最后簡(jiǎn)單介紹核反應(yīng)堆的原理及其應(yīng)用核電站.教學(xué)用具投影儀及投影片、多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)及課件.課時(shí)安排1課時(shí)教學(xué)過(guò)程一、引入新課通過(guò)上一節(jié)的學(xué)習(xí)，同學(xué)們知道在核反應(yīng)中由于存在質(zhì)量虧損會(huì)釋放巨大的核能，那么怎樣才能將核能有效的釋放出來(lái)為人類(lèi)的生產(chǎn)和生活服務(wù)呢？教師點(diǎn)撥什么樣的核反應(yīng)才能有效釋放核能呢？前面討論過(guò)的原子核的天然衰變及人工轉(zhuǎn)變過(guò)程中都有核能的釋放，那能不能有效的加以利用呢？學(xué)生思考教師分析在原子核天然衰變過(guò)程中雖然有核能的釋放，但由于大多數(shù)天然存在的放射性元素的半衰期都很長(zhǎng)（鈾238的半衰期大約為5億年，鈷60的半衰期也要5.27年），天然衰變過(guò)程通常進(jìn)行的非常緩慢，方程的功率很小，人又無(wú)法控制，除了用于醫(yī)療和科研，作為能源的實(shí)用價(jià)值不大.在原子核人工轉(zhuǎn)變過(guò)程中，雖然也有核能的釋放，但由于作為“炮彈”的入射粒子擊中靶核的機(jī)會(huì)太少了，常常只有幾百萬(wàn)分之一，用這樣的方法來(lái)獲得核能是得不償失的.那怎樣有效獲得核能呢？這就是本節(jié)要研究的問(wèn)題.二、新課教學(xué)（一）釋放核能的途徑1.核子平均質(zhì)量及其意義教師點(diǎn)撥請(qǐng)同學(xué)們翻開(kāi)元素周期表，看看原子核的質(zhì)量跟原子序數(shù)之間有什么關(guān)系？學(xué)生回答隨原子序數(shù)的增大而增大，但二者并不是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，原子核的質(zhì)量也不是核子數(shù)的整數(shù)倍.教師點(diǎn)撥想一想，為什么？這是因?yàn)楹俗釉诮Y(jié)合成原子核時(shí)發(fā)生質(zhì)量虧損而造成的，不同的原子核平均每個(gè)核子產(chǎn)生的質(zhì)量虧損不同，因而釋放的能量就不同.核子平均質(zhì)量越小，其核子結(jié)合成原子核時(shí)釋放的能量就越大，其原子核就越穩(wěn)定.可見(jiàn)核子平均質(zhì)量反映了原子核的穩(wěn)定程度.核子平均質(zhì)量原子核的質(zhì)量與其核子總數(shù)的比值，反應(yīng)原子核的穩(wěn)定程度，核子平均質(zhì)量越小，原子核就越穩(wěn)定.2.核子平均質(zhì)量曲線（投影圖2212）圖2212科學(xué)家通過(guò)精確的實(shí)驗(yàn)研究，得出核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)之間的關(guān)系有如圖2212所示的關(guān)系.教師點(diǎn)撥從這個(gè)圖線中可以得出，原子序數(shù)較小的輕核（如D、E、F）和原子序數(shù)較大的重核（如A）其核子平均質(zhì)量都較大，而原子序數(shù)處于中間的中等質(zhì)量的核（如B、C）其平均核子質(zhì)量較小.3.釋放核能的方法和途徑那么通過(guò)什么樣的核轉(zhuǎn)變才能使原子核產(chǎn)生質(zhì)量虧損而釋放核能呢？學(xué)生回答使平均核子質(zhì)量較大的核轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄俗淤|(zhì)量較小的核，就可以產(chǎn)生質(zhì)量虧損而釋放核能.教師點(diǎn)撥那釋放核能的具體途徑有哪幾種？學(xué)生回答把較重的原子核使其分裂轉(zhuǎn)化為較輕的原子核，或把幾個(gè)較輕的原子核結(jié)合成較重的原子核.教師總結(jié)把較重的原子核使其分裂成較輕原子核而釋放核能的核反應(yīng)叫裂變，把較輕的原子核結(jié)合成較重原子核而釋放核能的核反應(yīng)叫聚變.釋放核能的方法產(chǎn)生質(zhì)量虧損的核反應(yīng)釋放核能的途徑裂變和聚變（二）鈾核的裂變1.鈾核的裂變反應(yīng)：1939年（德國(guó)）哈恩和斯特拉斯曼首次發(fā)現(xiàn)：23592U+10n14156Ba+9236Kr+310n說(shuō)明：裂變產(chǎn)物不是惟一確定的，有時(shí)還會(huì)發(fā)生三分裂或四分裂.我國(guó)物理學(xué)家錢(qián)三強(qiáng)、何澤慧夫婦1946年在巴黎首次發(fā)現(xiàn)了鈾的三分裂和四分裂，這是我國(guó)科學(xué)家在核裂變研究中做出的重要貢獻(xiàn).不過(guò)三分裂和四分裂發(fā)生的幾率很小，分別為二分裂的千分之三和萬(wàn)分之三.2.釋放的核能學(xué)生活動(dòng)計(jì)算鈾核裂變的質(zhì)量虧損：裂變前的質(zhì)量：mU=390.313910-27 kg，mn1.674910-27 kg裂變后的質(zhì)量：mBa=234.001610-27 kg，mKr=152.604710-27 kg，3mn=5.024710-27 kg，質(zhì)量虧損：m（mUmn）（mBamKr3mn）0.357810-27 kg釋放核能：Emc2201 MeV，平均每個(gè)核子釋放能量約1 MeV.說(shuō)明：如果按照一個(gè)鈾核裂變釋放200 MeV的能量來(lái)估算，1 kg鈾全部裂變放出的核能就相當(dāng)于2500 t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能，可見(jiàn)核能是多么巨大的能源.3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)一般說(shuō)來(lái)，一個(gè)鈾核裂變總要釋放23個(gè)中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣裂變反應(yīng)就會(huì)不斷的進(jìn)行下去，這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)如圖2213所示.圖2213電腦動(dòng)畫(huà)演示鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的過(guò)程教師點(diǎn)撥如果對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不加以人工控制，那么它的反應(yīng)速度將呈幾何級(jí)數(shù)增加，大量的鈾核在極短時(shí)間內(nèi)全部裂變就會(huì)釋放巨大的能量形成爆炸，這就是原子彈的原理.為了使裂變反應(yīng)的能量平穩(wěn)的釋放，為人類(lèi)的生產(chǎn)和生活服務(wù)，科學(xué)家發(fā)明了核反應(yīng)堆并用于發(fā)電，這就是核電站.（三）核反應(yīng)堆及核電站學(xué)生自學(xué)，了解以下問(wèn)題1.核反應(yīng)堆用人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置.2.核反應(yīng)堆的構(gòu)造原理（投影圖2214）圖2214（1）鈾棒（核燃料）：天然鈾或濃縮鈾 在天然鈾中主要有兩種同位素，其中99.3是鈾238，0.7是鈾235，鈾235俘獲各種能量的中子都能發(fā)生裂變，而且俘獲能量低的中子（慢中子）發(fā)生裂變的幾率較大，而鈾238只有俘獲能量大于1 MeV的快中子才能發(fā)生裂變，并且?guī)茁屎苄?因此通常用濃縮鈾235作為核反應(yīng)堆的燃料.（2）減速劑：石墨、重水或普通水由于裂變產(chǎn)生的中子速度都很大，不容易使鈾235發(fā)生裂變，因此要在鈾棒周?chē)派蠝p速劑，使快中子跟減速劑的原子核發(fā)生碰撞能量減少，變成慢中子.常用的減速劑有石墨、重水或普通水.（3）控制棒：鎘棒控制棒通過(guò)插入的深度來(lái)調(diào)節(jié)中子的數(shù)目以控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度.由于鎘具有很強(qiáng)的吸收中子的能力，控制棒通常用鎘做成.3.核電站：利用核能發(fā)電的電站（1）能量轉(zhuǎn)換：通過(guò)核反應(yīng)堆將核能轉(zhuǎn)化為熱能，再通過(guò)汽輪機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能.（2）世界各國(guó)核電發(fā)展情況簡(jiǎn)介.（3）核電站的核輻射防護(hù)及核廢料處理.三、小結(jié)本節(jié)通過(guò)核子平均曲線，說(shuō)明了釋放核能的兩條途徑裂變和聚變，重點(diǎn)討論了裂變及其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的原理，了解了核反應(yīng)堆的構(gòu)造原理及其應(yīng)用核電站.四、布置作業(yè)閱讀課后材料增殖反應(yīng)堆五、板書(shū)設(shè)計(jì)（一）釋放核能的途徑1.核子平均質(zhì)量及其意義核子平均質(zhì)量原子核的質(zhì)量與其核子總數(shù)的比值，反應(yīng)原子核的穩(wěn)定程度，核子平均質(zhì)量越小，原子核就越穩(wěn)定.2.核子平均質(zhì)量曲線及其特點(diǎn)：兩頭大中間小.3.釋放核能的方法和途徑重核裂變或輕核聚變.（二）鈾核的裂變1.鈾核的裂變反應(yīng)：1939年（德國(guó)）哈恩和斯特拉斯曼首次發(fā)現(xiàn)23592U+10n14156Ba+9236Kr+310n2.釋放的核能：Emc2201 MeV，平均每個(gè)核子釋放能量約1 MeV3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（三）核反應(yīng)堆及核電站1.核反應(yīng)堆用人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置.2.核反應(yīng)堆的構(gòu)造原理（1）鈾棒（核燃料）：天然鈾或濃縮鈾（2）減速劑：石墨、重水或普通水（3）控制棒：鎘棒3.核電站：利用核能發(fā)電的電站.（1）能量轉(zhuǎn)換：核能轉(zhuǎn)化為電能 （2）優(yōu)點(diǎn)：消耗燃料少，功率大（3）核輻射防護(hù)及核廢料處理六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計(jì)1.一個(gè)鈾235吸收一個(gè)中子發(fā)生核反應(yīng)時(shí)大約放出196 MeV的能量，則1 kg純鈾235完全發(fā)生核反應(yīng)放出的能量為（N0為阿伏加德羅常數(shù)）A.N0196 MeVB.235N0196 MeVC.235196 MeVD.196 MeV2.重核裂變和輕核聚變能釋放原子能的原因，以下說(shuō)法正確的是A.重核和輕核的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰緽.重核的質(zhì)量大，輕核的質(zhì)量小C.重核裂變和輕核聚變都有質(zhì)量虧損D.在裂變和聚變過(guò)程中虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量3.平衡核反應(yīng)方程：23592U+_9038Sr+13654Xe+1010n.在核反應(yīng)堆中石墨起_的作用，鎘棒起_的作用.4.原子核在衰變中若輻射出一個(gè)波長(zhǎng)為的光子，則所引起的質(zhì)量虧損m=_.5.在正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)中，一個(gè)電子和一個(gè)正電子對(duì)撞發(fā)生湮滅而轉(zhuǎn)化為一對(duì)光子.設(shè)正、負(fù)電子的靜止質(zhì)量在對(duì)撞前均為m，對(duì)撞前的動(dòng)能均為E.光在真空中的傳播速度為c、普朗克常量為h，則對(duì)撞過(guò)程前后比較，質(zhì)量虧損為_(kāi)，轉(zhuǎn)化成的光子在真空中的波長(zhǎng)等于_.6.有效大量釋放核能的途徑：一是_核_變；另一是_核_變.核電站是利用_核_變.7.23592U受中子轟擊時(shí)會(huì)發(fā)生裂變，產(chǎn)生13956Ba和9436Kr，同時(shí)放出200兆電子伏特的能量.（1）寫(xiě)出核反應(yīng)方程式.（2）現(xiàn)要建設(shè)發(fā)電能力是50 kW的核電站，用鈾235作為原子鍋爐的燃料.假設(shè)核裂變釋放的能量全部被用來(lái)發(fā)電，那么一天需要純鈾235的質(zhì)量為多大？（阿伏加德羅常數(shù)取6.021023個(gè)/mol）參考答案：1.D 2.C3.10n，使快中子減速；吸收中子控制核反應(yīng)速度4.h/c 5.2m，6.重,裂;輕,聚,重,裂7.（1）23592U+10n13956Ba+9436Kr+310n+200兆電子伏特（2）由核反應(yīng)釋放的能等于發(fā)電的電能可得：5010786400=6.0210232001061.61019，可得m=527 g.