核裂變與核聚變【教學目標】一、知識與技能1．知道核裂變的概念，知道重核裂變中能釋放出巨大的能量。2．知道什么是鏈式反應。3．了解核聚變的特點及其條件。4．了解可控熱核反應及其研究和發(fā)展。二、過程與方法1．通過對核子平均質量與原子序數(shù)關系的理解，培養(yǎng)學生的邏輯推理能力及應用教學圖像處理物理問題的能力。2．通過讓學生自己閱讀課本，查閱資料，培養(yǎng)學生歸納與概括知識的能力和提出問題的能力。三、情感、態(tài)度與價值觀1．激發(fā)學生熱愛科學、探求真理的激情，樹立實事求是的科學態(tài)度，培養(yǎng)學生基本的科學素養(yǎng)，通過核能的利用，思考科學與社會的關系。2．通過教學，讓學生認識到和平利用核能及開發(fā)新能源的重要性。3．確立世界是物質的，物質是運動變化的，而變化過程必然遵循能量守恒的觀點?！窘虒W重點】1．重核裂變的核反應方程式的書寫。2．核聚變的特點和條件?！窘虒W難點】核聚變的特點和條件?！窘虒W過程】一、復習提問、新課導入教師：大家都知道在第二次世界大戰(zhàn)即將結束的時候，美國于1945年8月6日、9日先后在日本的廣島、長崎上空投下了兩顆原子彈，剎那間，這兩座曾經(jīng)十分美麗的城市變成一片廢墟。大家還知道目前世界上有少數(shù)國家建成了許多核電站，我國也相繼建成了浙江秦山核電站和廣東大亞灣核電站等。我想，現(xiàn)在大家一定想知道原子彈爆炸及核發(fā)電的原理，那么，我們這節(jié)課就來學習裂變，通過學習，大家就會對上述問題有初步的了解。 播放視頻，展示原子彈爆炸的過程及原子彈爆炸后形成的慘景的片段。學生：觀看原子彈爆炸的過程，并形成裂變能放出巨大能量的初步認識。點評：激發(fā)起學生主動探求知識的欲望，從而為下一步進行教學活動奠定一個良好的基礎。二、新課教學（一）核裂變的發(fā)現(xiàn)1934年，約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)??粒子轟擊鋁片首次制造出人工放射性同位素。費米得知后，想到用中子作為入射粒子比??粒子有效得多。費米與其合作者使用中子按照周期表的順序依次轟擊各種元素，輻照了有68種元素，其中47種產(chǎn)生新的放射性產(chǎn)物。費米用中子轟擊當時最重的元素238U，得到一種半衰期為13分鐘的一種放射性產(chǎn)物。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)不屬于從鉛到鈾之間的重元素。1934年5月，費米以《原子序數(shù)高于92的元素可能生成》為題，報道可能產(chǎn)生超鈾元素（費米的解釋是錯誤的，實際上是核裂變現(xiàn)象）?！?3分鐘的放射性與很多重元素等同的否定證據(jù)，提示了這樣的可能性：元素的原子序數(shù)也許大于92。如果它是93號元素，它應在化學上與錳及錸類似?！钡聡瘜W家諾達克（F.Noddack）針對費米的發(fā)現(xiàn)在1934年9月發(fā)表《論第93號元素》，認為費米等人采用“排除其他可能性的方法”來證明第93號元素的存在是“決非成功的”，并設想一種“全新的核反應”圖像：“可以想象，當重核被中子轟擊時，該核可能分裂成幾大塊，這些裂片無疑將是已知元素的同位素，而不是被輻照元素的近鄰。”然而，諾達克的論文沒有得到重視。費米認為：石蠟或水中的質子與中子的質量相近，放射源發(fā)射的中子與質子碰撞后，速度大大減慢。中子速度低，被原子核俘獲的機會增大，核反應概率增大，發(fā)射性的生成大大增加。慢中子作用的發(fā)現(xiàn)，大大增強了中子轟擊的效果，對重核裂變的發(fā)現(xiàn)提供了重要前提。1．核裂變提問：核裂變的特點是什么？讓學生閱讀課本核裂變部分內容，分小組討論。每一小組由一位同學陳述小組討論的結果。 學生回答：重核分裂成質量較小的核的反應，稱為裂變。教師總結：重核分裂成質量較小的核，釋放出核能的反應，稱為裂變。提問：是不是所有的核裂變都能放出核能？讓學生閱讀有關核子平均質量有補充材料。分小組討論。每一小組由一位同學陳述小組討論的結果。學生回答：只有核子平均質量減小的核反應才能放出核能。點評：有利于培養(yǎng)學生合作式學習的能力。知識總結：不是所有的核反應都能放出核能，有的核反應，反應后生成物的質量比反應前的質量大，這樣的核反應不放出能量，反而在反應過程中要吸收大量的能量。只有重核裂變和輕核聚變能放出大量的能量。點評：個人及小組的競爭，活躍課堂氣氛，激活學生思維，增加學習的趣味性。2．鈾核的裂變鈾核的裂變的一種典型反應。提問：鈾核的裂變的產(chǎn)物是多樣的，最典型的一種核反應方程式是什么樣的？讓學生閱讀課本核裂變部分內容，分小組討論。每一小組由一位同學陳述小組討論的結果。學生回答：92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n。裂變中釋放出巨大的能量，在上述裂變中，裂變后的總質量小于裂變前的總質量，質量虧損：?m=0.3578×10-27kg。釋放出的能量為：?E=?mc2=201MeV。1kg鈾235全部裂變時放出的能量就相當于2800t標準煤完全燃燒時釋放的化學能！3．鏈式反應提問：鏈式反應是怎樣進行的？學生回答：這種由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈式反應。點評：學生用自己的語言敘述，基本正確即可。（1）臨界體積（臨界質量）：提問：什么是臨界體積（臨界質量）？學生回答：通常把裂變物質能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積叫做它的臨界體積，相應的質量叫做臨界質量。裂變質量虧損：?m=0.3578×10-27kg。 知識總結：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈式反應。裂變物質能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積叫做它的臨界體積。鈾核裂變的產(chǎn)物不同，釋放的能量也不同。（2）發(fā)生鏈式反應的條件：鈾塊的質量大于臨界質量，或者鈾塊的體積大于臨界體積。4．教師簡單介紹原子彈：原子彈是利用重核裂變的鏈式反應制成的，在極短時間內能夠釋放大量核能，發(fā)生猛烈爆炸。試驗中產(chǎn)生了上千萬度的高溫和數(shù)百億個大氣壓，致使一座30米高的鐵塔被熔化為氣體，并在地面上形成一個巨大的彈坑。在半徑為400米的范圍內，沙石被熔化成了黃綠色的玻璃狀物質，半徑為1600米的范圍內，所有的動物全部死亡?！霸訌椫浮眾W本海默在核爆觀測站里感到十分震驚，他想起了印度一首古詩：“漫天奇光異彩，有如圣靈逞威，只有一千個太陽，才能與其爭輝。我是死神，我是世界的毀滅者?！泵绹訌椡灰u廣島和長崎造成了巨大的毀傷。在長崎投擲的原子彈爆炸后形成的蘑菇狀云團，爆炸產(chǎn)生的氣流、煙塵直沖云天，高達12英里多。廣島市區(qū)80%的建筑化為灰燼，64000人喪生，72000人受傷，傷亡總人數(shù)占全市總人口的53%，長崎市60%的建筑物被摧毀，傷亡86000人，占全市37%。展示中國第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖。5．核襲擊的防護（1）核爆炸瞬時效應防護①利用工事進行掩蔽。②在開闊地面上的人員，發(fā)現(xiàn)核爆閃光時，立即背向爆心臥倒，可減輕傷害。（2）放射性沾染防護①避開在沾染區(qū)或高照射量率的地區(qū)行動。②及時穿戴個人防護器材，防止人體受沾染。③人員通過沾染區(qū)時盡量乘坐車輛，在沾染區(qū)作業(yè)時要盡量縮短時間。④進入沾染區(qū)執(zhí)行任務的人員，可服用抗輻射藥，減少放射性物質在人體內的存留。（二）反應堆與核電站提問：核反應堆各組成部分在核反應中起什么作用？ 讓學生閱讀課本核電站部分內容，分小組討論。每一小組由一位同學陳述小組討論的結果。學生回答：鈾棒由濃縮鈾制成，作為核燃料。學生回答：控制棒由鎘做成，用來控制反應速度。學生回答：減速劑由石墨、重水或普通水（有時叫輕水）做成，用來跟快中子碰撞，使快中子能量減少，變成慢中子，以便讓U235俘獲。學生回答：冷卻劑由水或液態(tài)的金屬鈉等流體做成，在反應堆內外循環(huán)流動，把反應堆內的熱量傳輸出，確保反應堆的安全。學生回答：水泥防護層用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線，防止核輻射。教師（提問）：核能發(fā)電的優(yōu)點、缺點？學生回答：1．優(yōu)點：①污染?。虎诳刹蓛α看?；③比較經(jīng)濟。2．缺點：①一旦核泄漏會造成嚴重的核污染；②核廢料處理困難。點評：學生用自己的語言敘述，基本正確即可。教師（補充）：了解常用裂變反應堆的類型：秦山二期、大亞灣二期是壓水堆，秦山三期是沸水堆。（三）核聚變提問：請同學們閱讀課本，回答什么叫核聚變？1．兩個輕核結合成質量較大的核，這樣的反應叫做聚變。12H+13H→24He+01n提問：為什么輕核的聚變反應能夠比重核的裂變反應釋放更多的核能？學生分析：因為較輕的原子核比較重的原子核核子的平均質量更大，聚變成質量較大的原子核能產(chǎn)生更多的質量虧損，所以平均每個核子釋放的能量就更大。根據(jù)所給數(shù)據(jù)，計算上面核反應放出的能量：氘核的質量：mD=2.014102u氚核的質量：mT=3.016050u氦核的質量：mα=4.002603u中子的質量：mn=1.008665u?m=mD+mT-mα+mn=0.018884u?E=?mc2=0.018884u×931.4MeV=17.59MeV歸納補充： （1）氫核聚變反應：12H+13H→24He+01n+17.6MeV（2）釋放能量：ΔE＝Δmc2＝17.6MeV，平均每個核子釋放能量3MeV以上，約為裂變反應釋放能量的3～4倍。核聚變是不是很容易發(fā)生呢？核聚變可沒那么簡單！提問：核聚變發(fā)生的條件是什么？學生閱讀教材，分析思考、歸納總結并分組討論。得出結論。2．聚變條件：參與反應的原子核必須接近到原子核大小的尺寸范圍，即10-15m！要使原子核接近到這種程度，必須使它們具有很大的動能以克服原子核之間巨大的庫侖斥力。3．實現(xiàn)的方法：（1）用加速器加速原子核。人工核反應：利用加速器將氘加速到所需的能量（約72KeV)，轟擊含氚的靶。這種方法引起聚變的幾率極低（約百萬分之一）。（2）把原子核加熱到很高的溫度。將一團氘和氚核約束起來，并保持一定的密度。將核加熱到上億度的超高溫，使其在極短時間內一起發(fā)生聚變。4．聚變反應的特點：聚變反應一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以維持反應持續(xù)進行下去。核聚變又叫熱核反應。5．實例：（1）太陽內部和許多恒星內部溫度高達107K以上，其反應就是熱核反應的實例。太陽每秒釋放的能量約為3.8×1026J，地球只接受了其中的二十億分之一。太陽在“核燃燒”的過程中“體重”不斷減輕。它每秒有７億噸原子核參與碰撞，轉化為能量的物質是400萬噸。以這個速度，太陽至今已經(jīng)將大約100個地球質量的物質轉化成了能量?？茖W家估計，太陽的這種“核燃燒”還能維持50億~60億年。當然，與人類歷史相比，這個時間很長很長！（2）核武器——氫彈！在短時間釋放巨大的能量，這就是聚變引起的核爆炸。上世紀五十年代，人們利用核聚變反應制成了用于戰(zhàn)爭的氫彈，氫彈是利用熱核反應制造的一種在規(guī)模殺傷武器，在其中進行的是不可控熱核反應，它的威力是原子彈的十幾倍。 提問：氫彈爆炸原理是什么？學生閱讀教材：課本氫彈原理圖，它需要用原子炸藥來引爆，以獲得熱核反應所需要的高溫，而這些原子炸藥又要用普通炸藥來點燃。6．聚變與裂變相比的優(yōu)點提問：目前，人們還不能控制核聚變的速度，但科學家們正在努力研究和嘗試可控熱核反應，以使核聚變造福于人類。我國在這方面的研究和實驗也處于世界領先水平。請同學們自學教材，了解聚變與裂變相比有哪些優(yōu)點？優(yōu)點之一：輕核聚變產(chǎn)能效率高。點拔：氫聚變平均每個核子放出的能量約為3.3MeV，而鈾核裂變時平均每個核子釋放的能量約為1MeV。優(yōu)點之二：地球上聚變燃料的儲量豐富。點撥：每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6億立方米的水，大約有40萬億噸氘。氚可以利用鋰來制取，地球上鋰儲量有2000億噸。優(yōu)點之三：是輕核聚變反應更為安全、清潔。點撥：實現(xiàn)核聚變需要高溫，一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反應就自動終止了。另外，氘和氚聚變反應中產(chǎn)生的氦是沒有放射性的，放射性廢物主要是泄漏的氚以及聚變時高速中子、質子與其他物質反應而生成的放射性物質，比裂變所生成的廢物的數(shù)量少，容易處理。7．目前還不能控制熱核反應的主要問題：（1）熱核反應的點火溫度很高；（2）如何約束聚變所需的燃料；（3）反應裝置中的氣體密度要很低，相當于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一。8．實現(xiàn)核聚變的兩種控制方案：（1）磁約束：利用磁場來約束參加反應的物質。視頻學習：通過了解我國在可控熱核反應方面的成就，激發(fā)學生的愛國熱情和獻身科學的能力。（2）慣性約束：利用強激光的慣性壓力約束參加反應的物質?！揪毩曥柟獭?．關于重核的裂變，以下說法中正確的是（）A．鈾235被中子轟擊后都會分裂成兩塊質量差不多的碎塊，同時放出幾個中子B．鈾235被中子轟擊后二者都會發(fā)生分裂 C．要使鈾塊發(fā)生鏈式反應，其體積必須足夠大D．鈾235分裂成兩個中等質量的核，比結合能減小，放出核能答案：C2．現(xiàn)已建成的核電站發(fā)電的能量來自于（）A．天然放射性元素衰變放出的能量B．人工放射性同位素放出的能量C．重核裂變放出的能量D．化學反應放出的能量答案：C3．關于核聚變，以下說法正確的是（）A．與裂變相比輕核聚變輻射極少，更為安全、清潔B．世界上已經(jīng)有利用核聚變能來發(fā)電的核電站C．要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離達到10-10m以內，核力才能起作用D．核聚變比核裂變更易控制答案：A4．關于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是（）A．一次聚變反應一定比一次裂變反應釋放的能量多B．聚變反應比裂變反應每個核子釋放的平均能量一定大C．聚變反應中粒子的比結合能變小D．聚變反應中由于形成質量較大的核，故反應后質量變大答案：B5．我國最新一代核聚變裝置“EAST”在安徽合肥首次放電，顯示了“EAST”裝置具有良好的整體性能，使等離子體約束時間達1000s，溫度超過1億攝氏度，這標志著我國磁約束核聚變研究進入國際先進水平。合肥也成為世界上第一個建成此類全超導非圓截面核聚變實驗裝置并能實際運行的地方。核聚變的主要原料是氘，在海水中含量極其豐富。已知氘核的質量為m1，中子的質量為m2，23He的質量為m3，質子的質量為m4，則下列說法中正確的是（）A．兩個氘核聚變成一個23He所產(chǎn)生的另一個粒子是質子B．兩個氘核聚變成一個23He所產(chǎn)生的另一個粒子是中子C．兩個氘核聚變成一個23He所釋放的核能為（2m1－m3－m4）c2D．兩個氘核聚變成一個23He所釋放的核能為（2m1－m3－m2）c2 答案：BD6．在某些恒星內，3個α粒子結合成一個C，C原子的質量是12.0000u，He原子的質量是4.0026u，已知1u＝1.66×10－27kg，1u相當于931.5MeV，則（）A．反應過程中的質量虧損是Δm＝0.0078uB．反應過程中的質量虧損是Δm＝1.2948×10－29kgC．反應過程中放出的能量約為7.266MeVD．反應過程中放出的能量約為1.16×10－19J答案：ABC