物理4 核裂变与核聚变教学设计

核裂变与核聚变

【教学目标】

一、知识与技能

1．知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量。

2．知道什么是链式反应。

3．了解核聚变的特点及其条件。

4．了解可控热核反应及其研究和发展。

二、过程与方法

1．通过对核子平均质量与原子序数关系的理解，培养学生的逻辑推理能力及应用教学图像处理物理问题的能力。

2．通过让学生自己阅读课本，查阅资料，培养学生归纳与概括知识的能力和提出问题的能力。

三、情感、态度与价值观

1．激发学生热爱科学、探求真理的激情，树立实事求是的科学态度，培养学生基本的科学素养，通过核能的利用，思考科学与社会的关系。

2．通过教学，让学生认识到和平利用核能及开发新能源的重要性。

3．确立世界是物质的，物质是运动变化的，而变化过程必然遵循能量守恒的观点。

【教学重点】

1．重核裂变的核反应方程式的书写。

2．核聚变的特点和条件。

【教学难点】

核聚变的特点和条件。

【教学过程】

一、复习提问、新课导入

教师：大家都知道在第二次世界大战即将结束的时候，美国于1945年8月6日、9日先后在日本的广岛、长崎上空投下了两颗原子弹，刹那间，这两座曾经十分美丽的城市变成一片废墟。大家还知道目前世界上有少数国家建成了许多核电站，我国也相继建成了浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站等。我想，现在大家一定想知道原子弹爆炸及核发电的原理，那么，我们这节课就来学习裂变，通过学习，大家就会对上述问题有初步的了解。

播放视频，展示原子弹爆炸的过程及原子弹爆炸后形成的惨景的片段。

学生：观看原子弹爆炸的过程，并形成裂变能放出巨大能量的初步认识。

点评：激发起学生主动探求知识的欲望，从而为下一步进行教学活动奠定一个良好的基础。

二、新课教学

（一）核裂变的发现

1934年，约里奥·居里夫妇发现??粒子轰击铝片首次制造出人工放射性同位素。费米得知后，想到用中子作为入射粒子比??粒子有效得多。

费米与其合作者使用中子按照周期表的顺序依次轰击各种元素，辐照了有68种元素，其中47种产生新的放射性产物。

费米用中子轰击当时最重的元素238U，得到一种半衰期为13分钟的一种放射性产物。经过分析发现不属于从铅到铀之间的重元素。1934年5月，费米以《原子序数高于92的元素可能生成》为题，报道可能产生超铀元素（费米的解释是错误的，实际上是核裂变现象）。

“13分钟的放射性与很多重元素等同的否定证据，提示了这样的可能性：元素的原子序数也许大于92。如果它是93号元素，它应在化学上与锰及铼类似。”

德国女化学家诺达克（F.Noddack）针对费米的发现在1934年9月发表《论第93号元素》，认为费米等人采用“排除其他可能性的方法”来证明第93号元素的存在是“决非成功的”，并设想一种“全新的核反应”图像：

“可以想象，当重核被中子轰击时，该核可能分裂成几大块，这些裂片无疑将是已知元素的同位素，而不是被辐照元素的近邻。”

然而，诺达克的论文没有得到重视。

费米认为：石蜡或水中的质子与中子的质量相近，放射源发射的中子与质子碰撞后，速度大大减慢。中子速度低，被原子核俘获的机会增大，核反应概率增大，发射性的生成大大增加。

慢中子作用的发现，大大增强了中子轰击的效果，对重核裂变的发现提供了重要前提。

1．核裂变

提问：核裂变的特点是什么？

让学生阅读课本核裂变部分内容，分小组讨论。每一小组由一位同学陈述小组讨论的结果。

学生回答：重核分裂成质量较小的核的反应，称为裂变。

教师总结：重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为裂变。

提问：是不是所有的核裂变都能放出核能？

让学生阅读有关核子平均质量有补充材料。分小组讨论。每一小组由一位同学陈述小组讨论的结果。

学生回答：只有核子平均质量减小的核反应才能放出核能。

点评：有利于培养学生合作式学习的能力。

知识总结：不是所有的核反应都能放出核能，有的核反应，反应后生成物的质量比反应前的质量大，这样的核反应不放出能量，反而在反应过程中要吸收大量的能量。只有重核裂变和轻核聚变能放出大量的能量。

点评：个人及小组的竞争，活跃课堂气氛，激活学生思维，增加学习的趣味性。

2．铀核的裂变

铀核的裂变的一种典型反应。

提问：铀核的裂变的产物是多样的，最典型的一种核反应方程式是什么样的？

让学生阅读课本核裂变部分内容，分小组讨论。

每一小组由一位同学陈述小组讨论的结果。

学生回答：。

裂变中释放出巨大的能量，在上述裂变中，裂变后的总质量小于裂变前的总质量，质量亏损：。

释放出的能量为：。

1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能！

3．链式反应

提问：链式反应是怎样进行的？

学生回答：这种由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。

点评：学生用自己的语言叙述，基本正确即可。

（1）临界体积（临界质量）：

提问：什么是临界体积（临界质量）？

学生回答：通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。

裂变质量亏损：。

知识总结：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积。铀核裂变的产物不同，释放的能量也不同。

（2）发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。

4．教师简单介绍原子弹：

原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸。

试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座30米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑。在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所有的动物全部死亡。

“原子弹之父”奥本海默在核爆观测站里感到十分震惊，他想起了印度一首古诗：“漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争辉。我是死神，我是世界的毁灭者。”

美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里多。广岛市区80%的建筑化为灰烬，64000人丧生，72000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%，长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，占全市37%。

展示中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图。

5．核袭击的防护

（1）核爆炸瞬时效应防护

①利用工事进行掩蔽。

②在开阔地面上的人员，发现核爆闪光时，立即背向爆心卧倒，可减轻伤害。

（2）放射性沾染防护

①避开在沾染区或高照射量率的地区行动。

②及时穿戴个人防护器材，防止人体受沾染。

③人员通过沾染区时尽量乘坐车辆，在沾染区作业时要尽量缩短时间。

④进入沾染区执行任务的人员，可服用抗辐射药，减少放射性物质在人体内的存留。

（二）反应堆与核电站

提问：核反应堆各组成部分在核反应中起什么作用？

让学生阅读课本核电站部分内容，分小组讨论。每一小组由一位同学陈述小组讨论的结果。

学生回答：铀棒由浓缩铀制成，作为核燃料。

学生回答：控制棒由镉做成，用来控制反应速度。

学生回答：减速剂由石墨、重水或普通水（有时叫轻水）做成，用来跟快中子碰撞，使快中子能量减少，变成慢中子，以便让U235俘获。

学生回答：冷却剂由水或液态的金属钠等流体做成，在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出，确保反应堆的安全。

学生回答：水泥防护层用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，防止核辐射。

教师（提问）：核能发电的优点、缺点？

学生回答：

1．优点：①污染小；②可采储量大；③比较经济。

2．缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染；②核废料处理困难。

点评：学生用自己的语言叙述，基本正确即可。

教师（补充）：了解常用裂变反应堆的类型：

秦山二期、大亚湾二期是压水堆，秦山三期是沸水堆。

（三）核聚变

提问：请同学们阅读课本，回答什么叫核聚变？

1．两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫做聚变。

提问：为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？

学生分析：因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大。

根据所给数据，计算上面核反应放出的能量：

氘核的质量：mD=2.014102u

氚核的质量：mT=3.016050u

氦核的质量：mα=4.002603u

中子的质量：mn=1.008665u

归纳补充：

（1）氢核聚变反应：

（2）释放能量：ΔE＝Δmc2＝17.6MeV，平均每个核子释放能量3MeV以上，约为裂变反应释放能量的3～4倍。

核聚变是不是很容易发生呢？核聚变可没那么简单！

提问：核聚变发生的条件是什么？

学生阅读教材，分析思考、归纳总结并分组讨论。

得出结论。

2．聚变条件：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10-15m！

要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。

3．实现的方法：

（1）用加速器加速原子核。

人工核反应：利用加速器将氘加速到所需的能量（约72KeV)，轰击含氚的靶。这种方法引起聚变的几率极低（约百万分之一）。

（2）把原子核加热到很高的温度。

将一团氘和氚核约束起来，并保持一定的密度。将核加热到上亿度的超高温，使其在极短时间内一起发生聚变。

4．聚变反应的特点：

聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以维持反应持续进行下去。核聚变又叫热核反应。

5．实例：

（1）太阳内部和许多恒星内部温度高达107K以上，其反应就是热核反应的实例。

太阳每秒释放的能量约为3.8×1026J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。以这个速度，太阳至今已经将大约100个地球质量的物质转化成了能量。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持50亿~60亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！

（2）核武器——氢弹！在短时间释放巨大的能量，这就是聚变引起的核爆炸。

上世纪五十年代，人们利用核聚变反应制成了用于战争的氢弹，氢弹是利用热核反应制造的一种在规模杀伤武器，在其中进行的是不可控热核反应，它的威力是原子弹的十几倍。

提问：氢弹爆炸原理是什么？

学生阅读教材：课本氢弹原理图，它需要用原子炸药来引爆，以获得热核反应所需要的高温，而这些原子炸药又要用普通炸药来点燃。

6．聚变与裂变相比的优点

提问：目前，人们还不能控制核聚变的速度，但科学家们正在努力研究和尝试可控热核反应，以使核聚变造福于人类。我国在这方面的研究和实验也处于世界领先水平。

请同学们自学教材，了解聚变与裂变相比有哪些优点？

优点之一：轻核聚变产能效率高。

点拔：氢聚变平均每个核子放出的能量约为3.3MeV，而铀核裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV。

优点之二：地球上聚变燃料的储量丰富。

点拨：每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6亿立方米的水，大约有40万亿吨氘。氚可以利用锂来制取，地球上锂储量有2000亿吨。

优点之三：是轻核聚变反应更为安全、清洁。

点拨：实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。另外，氘和氚聚变反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。

7．目前还不能控制热核反应的主要问题：

（1）热核反应的点火温度很高；

（2）如何约束聚变所需的燃料；

（3）反应装置中的气体密度要很低，相当于常温常压下气体密度的几万分之一。

8．实现核聚变的两种控制方案：

（1）磁约束：利用磁场来约束参加反应的物质。

视频学习：通过了解我国在可控热核反应方面的成就，激发学生的爱国热情和献身科学的能力。

（2）惯性约束：利用强激光的惯性压力约束参加反应的物质。

【练习巩固】

1．关于重核的裂变，以下说法中正确的是（    ）

A．铀235被中子轰击后都会分裂成两块质量差不多的碎块，同时放出几个中子

B．铀235被中子轰击后二者都会发生分裂

C．要使铀块发生链式反应，其体积必须足够大

D．铀235分裂成两个中等质量的核，比结合能减小，放出核能

答案：C

2．现已建成的核电站发电的能量来自于（    ）

A．天然放射性元素衰变放出的能量

B．人工放射性同位素放出的能量

C．重核裂变放出的能量

D．化学反应放出的能量

答案：C

3．关于核聚变，以下说法正确的是（    ）

A．与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁

B．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站

C．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10-10m以内，核力才能起作用

D．核聚变比核裂变更易控制

答案：A

4．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是（    ）

A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多

B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大

C．聚变反应中粒子的比结合能变小

D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量变大

答案：B

5．我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了“EAST”装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1000s，温度超过1亿摄氏度，这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平。合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方。核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富。已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是（    ）

A．两个氘核聚变成一个所产生的另一个粒子是质子

B．两个氘核聚变成一个所产生的另一个粒子是中子

C．两个氘核聚变成一个所释放的核能为（2m1－m3－m4）c2

D．两个氘核聚变成一个所释放的核能为（2m1－m3－m2）c2

答案：BD

6．在某些恒星内，3个粒子结合成一个C，C原子的质量是12.0000u，He原子的质量是4.0026u，已知1u＝1.66×10－27kg，1u相当于931.5MeV，则（     ）

A．反应过程中的质量亏损是Δm＝0.0078u

B．反应过程中的质量亏损是Δm＝1.2948×10－29kg

C．反应过程中放出的能量约为7.266MeV

D．反应过程中放出的能量约为1.16×10－19J

答案：ABC