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2019-2020年高三物理 第二十二章 原子核 五、核反應、核能(第一課時) ●本節(jié)教材分析 在學生理解了天然放射現象的本質是某些元素的原子核自發(fā)地產生核轉變，進而說明用人工控制的某些粒子轟擊原子核也可以使其發(fā)生轉變，即原子核可以實現人工轉變.在了解原子核自發(fā)和人工轉變的基礎上，介紹核反應的一般概念，并注意讓學生了解核反應中質量數和電荷數守恒的規(guī)律. 核能的教學中應注意“一定的質量m和一定的能量mc2相對應”的觀點，還應讓學生注意，原子核在變化時，其變化前后的總質量是不同的，這種質量差異對應的就是核反應中所吸收或放出的能量.還應注意向學生說明，原子核反應中的質量虧損并不破壞質量守恒定律，因為一定的質量和一定的能量相對應. 另外，核能的計算中要注意單位的換算，如原子質量單位和千克的關系，焦耳和電子伏的關系. 為了說明為什么有些核反應釋放能量，有些核反應吸收能量，本教材沒有采用以往學生較難理解的“結合能”的概念來講解這部分內容，而是利用質量虧損的概念引入“核子平均質量”來講解這部分內容.課本插圖中的曲線實質與平均結合能曲線是一樣的，但可能更利于學生理解. ●教學目標 一、知識目標 1.知道原子核的人工轉變及核反應的概念和規(guī)律. 2.理解核能的概念，知道核反應中的質量虧損. 3.知道愛因斯坦的質能方程，理解質量與能量的關系. 二、能力目標 會根據質能方程和質量虧損的概念計算核反應中釋放的核能. 三、德育目標 認識開發(fā)和利用核能對解決人類能源危機的重要意義. ●教學重點 核能的概念.愛因斯坦的質能方程. ●教學難點 質量虧損及愛因斯坦的質能方程的理解. ●教學方法 本節(jié)以教師講授為主，輔之以學生課堂練習.先從原子核的天然衰變引出原子核的人工轉變，進而引入核反應的概念，總結出核反應遵從的規(guī)律；從核反應中的γ輻射引入核能的概念，再從核反應中的質量虧損引出愛因斯坦質能關系，最后說明在核反應中釋放能量與質量虧損密切相關，給出公式ΔE＝mc2 再通過學生的課堂練習加以鞏固. ●教學用具 無特殊教具 ●課時安排 1課時 ●教學過程 一、引入新課 ［教師提問］放射性的本質是什么？ ［學生回答］原子核的天然衰變. ［教師提問］那能否利用人工方法使原子核發(fā)生變化呢？ ［學生思考］… 本節(jié)課就來研究原子核人工轉變所產生的核反應以及所引起的能量變化——核能. 二、新課教學 （一）核反應 ［教師提問］如果要人工轉變原子核，那用什么辦法呢？ ［學生猜想］用類似于炮彈的東西去轟擊它，看能否把它敲開. ［教師點撥］原子核那么小，用什么作“炮彈”呢？ ［學生回答］只能用天然放射線中的微觀粒子. ［教師點撥］那α、β、γ粒子都可以作“炮彈”嗎？ ［學生思考］… ［教師點撥］盡管β、γ粒子的速度很大，但它們的質量很小，能量也較小，它們與原子核作用時一般不能引起原子核的轉變，而α粒子由于質量和能量較大，它與原子核作用時很容易使原子核發(fā)生轉變，因此通常用α粒子作為“炮彈”轟擊原子核就可以使原子核實現人工轉變.這個過程就是一種核反應. 1.定義 在核物理學中,原子核在其他粒子的轟擊下產生新原子核的過程,稱為核反應. 2.原子核的人工轉變 （1）盧瑟福發(fā)現質子的核反應（1919年） 147N+42He→178O+11H（質子） （2）查德威克發(fā)現中子的核反應（1932年） 94Be+42He→126C+10n（中子） ［教師點撥］在上面兩個核反應中，反應前后反應物與生成物的核電荷數及質量數有什么關系？ ［學生回答］反應物與生成物的核電荷數及質量數總和不變，即守恒. 3.核反應遵循的規(guī)律：質量數和電荷數都守恒 ［教師點撥］在核反應中雖然質量數守恒，但反應前后原子核的總質量并不守恒. 科學家研究證明，氘核雖然由一個中子和一個質子組成，但氘核的質量并不等于一個中子和一個質子的質量之和，精確計算表明：氘核的質量比一個中子和一個質子的質量之和要小一些，這種現象叫做質量虧損，只有在核反應中才能明顯的表現出來. 4.核反應的特點：存在質量虧損 核反應前后原子核的質量之差叫做質量虧損（用Δm表示） ［教師點撥］我們知道，在化學反應中往往要伴隨吸熱或放熱，這引起分子或原子的能量發(fā)生變化，這種能量就是我們通常所說的化學能.在核反應中也伴隨能量的變化，這種能量就是核能，它要比化學能巨大的多. 例如：一個中子和一個質子結合成氘核時，要放出2.2 MeV的能量，這個能量以γ光子的形式輻射出去.而兩個氫原子結合成氫分子釋放的化學能只不過幾個電子伏. （二）核能 1.什么是核能？與核反應相聯系的一種能量. 2.核能的特點： （1）與原子核的變化相聯系，只有在核反應中才能體現出來. （2）核能是非常巨大的.屬于非常規(guī)能源. ［教師點撥］在核反應中既伴隨巨大能量的釋放，又伴隨一定的質量虧損，這說明質量與能量之間有某種聯系，愛因斯坦的相對論回答了這個問題. 3.愛因斯坦質能方程 相對論指出，物體的能量（E）和質量（m）之間存在著密切的關系，即 E＝mc2式中 c為真空中的光速 關于質能方程的理解： 這個方程中c是真空中的光速，m是物體的質量，E是物體的能量.該方程表明：物體所具有的能量跟它的質量成正比.由于c2這個數值十分巨大，因而物體的能量是十分可觀的、質量為1 kg的物體所具有的能量為91016 J，這一能量相當于一個100萬kW的發(fā)電廠三年的發(fā)電量.對此，愛因斯坦曾說過：“把任何慣性質量理解為能量的一種貯藏，看來要自然得多.”物體貯藏著巨大的能量是不容置疑的，但是如何使這樣巨大的能量釋放出來？從愛因斯坦質能方程同樣可以得出，物體的能量變化ΔE與物體的質量變化Δm的關系：ΔE=Δmc2. 4.核反應中由于質量虧損而釋放的能量：ΔE=Δm c2 ［例題］計算2個質子和2個中子結合成氦核時釋放的能量 已知：1個質子的質量mp=1.007277 u，1個中子的質量mn=1.008665 u.組成氦核的這四個核子的總質量為4.031884 u，但氦核的質量為4.001509 u. 這里u表示原子質量單位，1 u=1.66056610-27 kg. 由上述數值，可以求出氦核的質量虧損Δm=4.031884 u-4.001509 u=0.030375 u. 在原子核物理學中，核子與核的質量通常都是用原子質量單位表示，而核能通常用兆電子伏表示.按質能方程可以求出1 u的質量虧損所釋放的能量為931.5 MeV，所以，2個質子和2個中子結合成氦核時釋放的能量為： ΔE=Δm c2＝0.030375931.5 MeV =28.3 MeV. ［練習］(由學生自己完成)：氘核的質量為2.013553 u，由此計算一個中子和一個質子結合成氘核時釋放的核能. 解：mn=1.008665 u，mp=1.007277 u. 中子和質子的質量和：2.015941 u. 質量虧損Δm=2.015941 u-2.013553 u=0.002388 u. 釋放核能ΔE=Δmc2=0.002388931.5 MeV =2.22 MeV. 注意：核能的計算中要注意單位的換算，如原子質量單位和千克的關系，焦耳和電子伏的關系. 三、小結 原子核既可以天然衰變，也可以人工轉變，使原子核發(fā)生變化的過程叫核反應.在核反應中存在質量虧損同時伴隨巨大能量的釋放.這是因為自然界中物體的質量和能量間存在著一定關系：E=mc2，可見物質世界貯藏著巨大能量.問題是，如何使貯藏的能量釋放出來.人類以前利用的是燃料燃燒時釋放的化學能.在發(fā)生化學反應時，是原子外層電子的得失.這種情況下，人類獲取的能量可以說屬于原子的“皮能”.在核反應時，可以產生較大一些的質量虧損，從而使人類獲得了大得多的能量.這里的變化，屬于原子核的變化，相應的能量稱作原子核能.由前述二例可以看出，核反應中的質量虧損仍然是十分有限的.換句話說，即物體貯藏的能量是巨大的.迄今為止，人類所利用的能量還只是很小的一部分.如果，人類在探索中，能掌握新的方式，以產生更大的質量虧損，也就必然能夠獲得更為可觀的能量. 四、布置作業(yè) 練習三2、3、4 五、板書設計 （一）核反應 1.定義：原子核在其他粒子的轟擊下產生新原子核的過程,稱為核反應. 2.原子核的人工轉變——用人工方法使原子核發(fā)生變化的過程. （1）盧瑟福發(fā)現質子的核反應（1919年） 147N+42He→178O+11H（質子） （2）查德威克發(fā)現中子的核反應（1932年） 94Be+42He→126C+10n（中子） 3.核反應遵循的規(guī)律：質量數和電荷數都守恒. 4.核反應的特點：質量虧損——核反應前后原子核的質量之差（用Δm表示） （二）核能 1.什么是核能？與核反應相聯系的一種能量. 2.核能的特點： （1）與原子核的變化相聯系，只有在核反應中才能體現出來. （2）核能是非常巨大的，屬于非常規(guī)能源. 3.愛因斯坦質能方程 E＝mc2式中 c為真空中的光速 4.核反應中由于質量虧損而釋放的能量：ΔE=Δm c2 六、本節(jié)優(yōu)化訓練設計 1.在下列4個核反應式中,x表示中子的是哪些 A.147N+42He→178O+x B.2713Al+42He→3015P+x C.21H+31H→42He+x D.23592U+x→9038Sr+13654Xe+1010n 2.用中子轟擊鋁27,產生鈉24和X;鈉24具有放射性,它衰變后變成鎂24,則這里的X和鈉的衰變分別是 A.質子、α衰變 B.電子、α衰變 C.α粒子、β衰變 D.正電子、β衰變 3.下面說法正確的是 A.α粒子轟擊氮核,發(fā)現了中子 B.α粒子轟擊鈹核,產生了高能質子,再轟擊石蠟,釋放出中子 C.用α粒子轟擊鈹核,釋放出的是中子 D.中子是首先由查德威克于1919年命名的 4.目前能夠在實際上作為巨大能源的原子核能是 A.重核裂變時放出的能量 B.輕核聚變時放出的能量 C.熱核反應時放出的能量 D.放射性元素放出的射線能量 5.靜止的氡核22286Rn放出α粒子后變成釙核21884PO，α粒子動能為Eα，若衰變放出的能量全部變?yōu)榉礇_核和α粒子的動能，真空中的光速為c，則該反應中質量虧損為 A. B.0 C. D. 6.能釋放原子能的核反應是 A.重核分裂成中等質量的核 B.核子結合成原子核 C.反應前的總質量大于反應后的總質量 D.原子核分解成核子 7.完成下列核反應方程 A.105B+42He→137N+________ B.2713Al+________→2712Mg+11H; C.94Be+________→126C+10n D.147N+42He→178O+________. 8.23892U衰變成23492Th，把靜止的23892U放在勻強磁場中，衰變后Th 核的速度方向與磁場方向垂直.生成的粒子動能為ΔE， （1）寫出衰變方程. （2）衰變后Th核的軌道半徑與粒子的軌道半徑之比為多少？ （3）衰變過程中放出的能量多大？ 參考答案：1.BCD 2.C 3.C 4.A 5.C 6.ABC 7.略 8、（1）23892U→23490Th+42He（2）1∶45（3）119ΔE/117