2019-2020年高三物理 第二十二章 原子核 六、裂變(第一課時).doc
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2019-2020年高三物理 第二十二章 原子核 六、裂變(第一課時)本節(jié)教材分析本節(jié)教材在學生了解了核能概念的基礎上,進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)學生的接受水平,教材中沒有引入結(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,進而說明裂變和聚變是釋放核能的兩條途徑.有關重核的裂變和鏈式反應的概念,學生在初中時就學過.教學中可在初中內(nèi)容的基礎上結(jié)合前面的內(nèi)容說明,各種天然衰變也好,原子核的人工轉(zhuǎn)變也好,反應中放出的能量不是由于功率太小,就是因為粒子轟擊原子核發(fā)生反應的概率太小而不能用來作為有效地利用巨大核能的手段.而裂變反應中的鏈式反應就使得這種“潛伏”在核內(nèi)的巨大能量被有效地利用成為可能.有關核反應堆和核電站的內(nèi)容,學生在初中也學過,但是初中主要是在核電站的結(jié)構(gòu)上作了簡單的說明,而沒有講核反應堆的原理.教學中最好指導學生學習“閱讀”中有關核反應堆和增殖反應堆的內(nèi)容,同時注意介紹我國近年來快速發(fā)展的核電站的情況. 還應注意通過核的三分裂和四分裂現(xiàn)象是由我國物理學家錢三強、何澤慧夫婦于1946年首次在巴黎發(fā)現(xiàn)的事實,向?qū)W生進行愛祖國、愛科學的教育.教學目標一、知識目標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式反應的原理3.了解核反應堆和核電站的基本原理.二、能力目標掌握鈾核的裂變的核反應方程,會根據(jù)其質(zhì)量虧損計算釋放的核能.三、德育目標通過向?qū)W生介紹我國物理學家錢三強、何澤慧夫婦在核裂變反應研究方面的成就向?qū)W生進行愛祖國、愛科學的教育.教學重點鈾核的裂變及其鏈式反應核.教學難點核子平均質(zhì)量曲線及其意義.教學方法本節(jié)內(nèi)容以教師講授為主,首先通過研究核子平均質(zhì)量曲線的特點說明釋放核能的兩條途徑重核裂變和輕核聚變,然后重點研究鈾核的裂變及其鏈式反應,最后簡單介紹核反應堆的原理及其應用核電站.教學用具投影儀及投影片、多媒體輔助教學系統(tǒng)及課件.課時安排1課時教學過程一、引入新課通過上一節(jié)的學習,同學們知道在核反應中由于存在質(zhì)量虧損會釋放巨大的核能,那么怎樣才能將核能有效的釋放出來為人類的生產(chǎn)和生活服務呢?教師點撥什么樣的核反應才能有效釋放核能呢?前面討論過的原子核的天然衰變及人工轉(zhuǎn)變過程中都有核能的釋放,那能不能有效的加以利用呢?學生思考教師分析在原子核天然衰變過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(鈾238的半衰期大約為5億年,鈷60的半衰期也要5.27年),天然衰變過程通常進行的非常緩慢,方程的功率很小,人又無法控制,除了用于醫(yī)療和科研,作為能源的實用價值不大.在原子核人工轉(zhuǎn)變過程中,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會太少了,常常只有幾百萬分之一,用這樣的方法來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)要研究的問題.二、新課教學(一)釋放核能的途徑1.核子平均質(zhì)量及其意義教師點撥請同學們翻開元素周期表,看看原子核的質(zhì)量跟原子序數(shù)之間有什么關系?學生回答隨原子序數(shù)的增大而增大,但二者并不是簡單的正比關系,原子核的質(zhì)量也不是核子數(shù)的整數(shù)倍.教師點撥想一想,為什么?這是因為核子在結(jié)合成原子核時發(fā)生質(zhì)量虧損而造成的,不同的原子核平均每個核子產(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)合成原子核時釋放的能量就越大,其原子核就越穩(wěn)定.可見核子平均質(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科學家通過精確的實驗研究,得出核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)之間的關系有如圖2212所示的關系.教師點撥從這個圖線中可以得出,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.教師點撥那釋放核能的具體途徑有哪幾種?學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叫聚變.釋放核能的方法產(chǎn)生質(zhì)量虧損的核反應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:1939年(德國)哈恩和斯特拉斯曼首次發(fā)現(xiàn):23592U+10n14156Ba+9236Kr+310n說明:裂變產(chǎn)物不是惟一確定的,有時還會發(fā)生三分裂或四分裂.我國物理學家錢三強、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,這是我國科學家在核裂變研究中做出的重要貢獻.不過三分裂和四分裂發(fā)生的幾率很小,分別為二分裂的千分之三和萬分之三.2.釋放的核能學生活動計算鈾核裂變的質(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,平均每個核子釋放能量約1 MeV.說明:如果按照一個鈾核裂變釋放200 MeV的能量來估算,1 kg鈾全部裂變放出的核能就相當于2500 t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時釋放的化學能,可見核能是多么巨大的能源.3.鏈式反應一般說來,一個鈾核裂變總要釋放23個中子,這些中子又引起其他鈾核裂變,這樣裂變反應就會不斷的進行下去,這就是鏈式反應如圖2213所示.圖2213電腦動畫演示鏈式反應的過程教師點撥如果對鏈式反應不加以人工控制,那么它的反應速度將呈幾何級數(shù)增加,大量的鈾核在極短時間內(nèi)全部裂變就會釋放巨大的能量形成爆炸,這就是原子彈的原理.為了使裂變反應的能量平穩(wěn)的釋放,為人類的生產(chǎn)和生活服務,科學家發(fā)明了核反應堆并用于發(fā)電,這就是核電站.(三)核反應堆及核電站學生自學,了解以下問題1.核反應堆用人工控制鏈式反應的裝置.2.核反應堆的構(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,因此要在鈾棒周圍放上減速劑,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:鎘棒控制棒通過插入的深度來調(diào)節(jié)中子的數(shù)目以控制鏈式反應的速度.由于鎘具有很強的吸收中子的能力,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:通過核反應堆將核能轉(zhuǎn)化為熱能,再通過汽輪機將熱能轉(zhuǎn)化為機械能,最后通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能.(2)世界各國核電發(fā)展情況簡介.(3)核電站的核輻射防護及核廢料處理.三、小結(jié)本節(jié)通過核子平均曲線,說明了釋放核能的兩條途徑裂變和聚變,重點討論了裂變及其鏈式反應的原理,了解了核反應堆的構(gòu)造原理及其應用核電站.四、布置作業(yè)閱讀課后材料增殖反應堆五、板書設計(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: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:1939年(德國)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,平均每個核子釋放能量約1 MeV3.鏈式反應(三)核反應堆及核電站1.核反應堆用人工控制鏈式反應的裝置.2.核反應堆的構(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:消耗燃料少,功率大(3)核輻射防護及核廢料處理六、本節(jié)優(yōu)化訓練設計1.一個鈾235吸收一個中子發(fā)生核反應時大約放出196 MeV的能量,則1 kg純鈾235完全發(fā)生核反應放出的能量為(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.在裂變和聚變過程中虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量3.平衡核反應方程:23592U+_9038Sr+13654Xe+1010n.在核反應堆中石墨起_的作用,鎘棒起_的作用.4.原子核在衰變中若輻射出一個波長為的光子,則所引起的質(zhì)量虧損m=_.5.在正負電子對撞機中,一個電子和一個正電子對撞發(fā)生湮滅而轉(zhuǎn)化為一對光子.設正、負電子的靜止質(zhì)量在對撞前均為m,對撞前的動能均為E.光在真空中的傳播速度為c、普朗克常量為h,則對撞過程前后比較,質(zhì)量虧損為_,轉(zhuǎn)化成的光子在真空中的波長等于_.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受中子轟擊時會發(fā)生裂變,產(chǎn)生13956Ba和9436Kr,同時放出200兆電子伏特的能量.(1)寫出核反應方程式.(2)現(xiàn)要建設發(fā)電能力是50 kW的核電站,用鈾235作為原子鍋爐的燃料.假設核裂變釋放的能量全部被用來發(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/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)由核反應釋放的能等于發(fā)電的電能可得:5010786400=6.0210232001061.61019,可得m=527 g.- 配套講稿:
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