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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(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)行愛祖國(guó)、愛科學(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)行愛祖國(guó)、愛科學(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22—12） 圖22—12 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22—12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+10n→14156Ba+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，mn＝1.674910-27 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：Δm＝（mU＋mn）－（mBa＋mKr＋3mn）＝0.357810-27 kg 釋放核能：ΔE＝Δmc2＝201 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2～3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22—13所示. 圖22—13 ［電腦動(dòng)畫演示鏈?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22—14） 圖22—14 （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(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+10n→14156Ba+9236Kr+310n 2.釋放的核能：ΔE＝Δmc2＝201 MeV，平均每個(gè)核子釋放能量約1 MeV 3.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 MeV B.235N0196 MeV C.235196 MeV D.196 MeV 2.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? B.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λ的γ光子，則所引起的質(zhì)量虧損Δm=_____. 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________，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.C 3.10n，使快中子減速；吸收中子控制核反應(yīng)速度 4.h/λc 5.2m， 6.重,裂;輕,聚,重,裂 7.（1）23592U+10n→13956Ba+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=6.0210232001061.610－19，可得m=527 g.