小學(xué)教學(xué)教案

“裂變”教學(xué)設(shè)計。

浙江寧波市勤州區(qū)教研室何豐明

教材全日制普通高級中學(xué)教科書《物理》第三冊（必修加選修）第二十二章第六節(jié)。

教學(xué)時間一課時。

教學(xué)目標三個維度的教學(xué)目標具體為：

1．知識與技能

了解釋放核能的核反應(yīng)過程；認識什么樣的核反應(yīng)是裂變；了解鈾核裂變的規(guī)律；粗略了解核電站的工作。

2．過程與方法

統(tǒng)觀各類核反應(yīng)的能量狀況，原則考慮釋放核能過程的共性，經(jīng)歷理性分析、歸納的思維過程；聽取科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鈾裂變的史實，獲得科學(xué)發(fā)現(xiàn)的間接經(jīng)驗；對核能利用做可行性分析與論證，體驗將科學(xué)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的過程；領(lǐng)略微觀物理學(xué)研究的正確方法。

3．情感態(tài)度與價值觀

讓學(xué)生體驗探究自然界規(guī)律的艱辛與喜悅；陶冶崇尚科學(xué)，仰慕科學(xué)家，欣賞物理學(xué)的奇妙與和諧的情愫；學(xué)習(xí)科學(xué)家敢于堅持真理、勇于創(chuàng)新和實事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，培養(yǎng)學(xué)生判斷有關(guān)信息是否科學(xué)的意識。

教學(xué)用具（1）多媒體課件：文本資料；元素原子核子平均質(zhì)量隨原子序數(shù)分布規(guī)律動畫；鈾核裂變的液滴模型動畫；鏈式反應(yīng)模擬動畫；核反應(yīng)堆、核燃料、核電站、我國第一顆原子彈爆炸時形成的蘑菇云等資料圖片動畫。

（2）槍式與內(nèi)爆式原子彈紙介質(zhì)掛圖。

設(shè)計理念本課教材簡潔地介紹了核能利用從理論到實踐的主要線索。在知識內(nèi)容上，教材分三節(jié)講述了什么樣的核反應(yīng)可以釋放核能；裂變的特點；核能的和平利用──核電站。在知識陳述的同時，知識的“背景”中蘊含著十分豐富的教學(xué)拓展點，可以開展物理學(xué)史、科學(xué)方法、辯證唯物主義思想、創(chuàng)新意識及人文精神的教育?；诮滩闹R點淺顯直白，而知識“背景”豐厚、人文，本案設(shè)計“以人為本”，突出展示人類開發(fā)核能的過程、思路、方法，在讓學(xué)生學(xué)習(xí)核裂變基本知識的同時，感受物理與科技和人文的浸潤和諧，體現(xiàn)物理教育在個性品質(zhì)、好奇求知、質(zhì)疑創(chuàng)新、科學(xué)美及責(zé)任心等方面的價值導(dǎo)向。

本課總體設(shè)計思想是：課堂教學(xué)以核能開發(fā)歷程為線索，從原則性與可行性出發(fā)，理性分析釋放核能的過程應(yīng)具備的特點，以史實為據(jù)，介紹裂變的發(fā)現(xiàn)歷程，從反應(yīng)堆實際運用──反應(yīng)堆為載體，滲透科學(xué)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的思想，課堂上借助多媒體課件播放及教師解說，著力于撼動青年學(xué)生崇尚科學(xué)的情感。

教學(xué)過程

（引入）通過前面的學(xué)習(xí)，同學(xué)們了解到原子核發(fā)生變化時，有些會放出核能。例如在天然衰變中：（幻燈顯示）

。

。

請同學(xué)分析通過上述天然衰變獲得核能的可行性后歸納：

（幻燈顯示）天然衰變反應(yīng)速度慢，放出功率小，無法控制：實際運用不可行。

又如在人工轉(zhuǎn)變中：（幻燈顯示）

，

。

請同學(xué)分析通過上述人工轉(zhuǎn)變獲得核能的可行性后歸納：

（幻燈顯示）人工轉(zhuǎn)變發(fā)生反應(yīng)機會少，加速轟擊粒子要耗能，實際運用不可行。

（設(shè)問）請同學(xué)從原則上與可行性上考慮，什么樣的核反應(yīng)過程可以釋放核能？

1．從原則上考慮──分析釋放核能的核反應(yīng)過程的必備條件

（教師講）從原則性上考慮，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，在核反應(yīng)過程中若有質(zhì)量虧損，將伴隨有能量的釋放。那么什么樣的核反應(yīng)過程有質(zhì)量虧損呢？我們知道，核反應(yīng)過程中，核子數(shù)（即質(zhì)量數(shù)）是守恒的，如果核反應(yīng)過程中有質(zhì)量虧損，則“反應(yīng)物”核子的平均質(zhì)量一定大于“生成物”核子的平均質(zhì)量。統(tǒng)觀各種元素原子核，其核子的平均質(zhì)量（原子核的質(zhì)量除以核子數(shù)），具有如圖1所示規(guī)律（動畫顯示），隨著原子序數(shù)的增大，核子平均質(zhì)量的變化不是單調(diào)的，56號元素鐵的原子核中核子的平均質(zhì)量最小。顯然按這樣兩種方向進行的核反應(yīng)，均有質(zhì)量虧損：一種是原子序數(shù)較大的重核分裂成原子序數(shù)較小的中等質(zhì)量核；一種是由原子序數(shù)很小的輕核結(jié)合成原子序數(shù)大些的核。（動畫顯示）若將圖1中的重核A分裂成原子序數(shù)小些的核B、C，該反應(yīng)中有質(zhì)量虧損，可釋放出能量；若實現(xiàn)將輕核D、E聚合成原子序數(shù)大些核F的核反應(yīng)，該反應(yīng)中有質(zhì)量虧損，可釋放出能量。

這節(jié)課，我們先來了解前一種核能釋放途徑。這條原子能應(yīng)用途徑的開拓者是德國化學(xué)家哈恩，他和他的助手于1939年發(fā)現(xiàn)了鈾核的裂變。

2．介紹鈾核的裂變及其發(fā)現(xiàn)過程

（教師講）隨著中子的發(fā)現(xiàn)，轟開原子核有了理想的“炮彈”，但是中子不能由天然放射性物質(zhì)自發(fā)產(chǎn)生，只能通過原子核人工轉(zhuǎn)變而獲得，為了能得到更多的中子，物理學(xué)家做了無數(shù)個實驗，轟擊所有當(dāng)時已知的各種元素的原子核，諸多科學(xué)家通過曠日持久地艱難求索而發(fā)現(xiàn)，從氟到92號元素鈾都可實現(xiàn)人工轉(zhuǎn)變，通過原子核人工轉(zhuǎn)變可以生成各種人工放射性元素，對許多元素用慢中子比用快中了更為有效……最終導(dǎo)致了震驚世界的原子核裂變。

1937年，約里奧·居里夫婦在用粒子做“炮彈”轟擊鈾核的實驗中，產(chǎn)生了半衰期為3．5h的放射性元素，它居然是57號元素鑭，粒子轟擊鈾怎么會產(chǎn)生一個在周期表上離鈾35位的元素呢？約里奧·居里夫婦與核裂變相見不相識，第三次錯失重大發(fā)現(xiàn)。同一時代的德國化學(xué)家哈恩也不相信小居里夫婦的實驗結(jié)果，他與奧地利女物理學(xué)家邁特納合作，嘗試用中子轟擊鈾核來得到一個原子序數(shù)比鈾更大的新元素，他們用盡各種辦法未果。到了災(zāi)難深重的1938年，身為猶太人的邁特納從德國逃亡到斯德哥爾摩，而哈恩和他的同事們在柏林郊區(qū)一個僻靜的實驗室里繼續(xù)不懈地用中子轟擊鈾，當(dāng)采用慢中子轟擊鈾核時，事情有了重大轉(zhuǎn)機：反應(yīng)不僅迅速激烈，釋放出很高的能量，而且出現(xiàn)了異乎尋常的情況──鈾核被擊中后，竟分裂出原子序數(shù)小得多的鋇!本來想揭示居里實驗中的錯誤，反而得到了相似的結(jié)果。哈恩把實驗結(jié)果寄給了治學(xué)嚴謹?shù)拈L期合作者邁特納，邁特納堅信實驗的結(jié)果，她決意要對比做出科學(xué)的解釋。在圣誕節(jié)前夕的長途滑雪越野途中，玻爾曾經(jīng)提出的原子液滴模型躍入她的腦際，她心中顯現(xiàn)出一幅圖像：往原子核里擠進一個中子，使這個核產(chǎn)生振蕩而變形，電斥力把原子核的兩端推開，形成兩個較小的核，原子核就像一滴水滴，被拉長了而且被一分為二。兩個比原來小的原子核中的一個可能是鋇或鑭。1939年1月，借助于生物學(xué)中細胞分裂的概念，邁特納將哈恩實驗中的核變化稱做核裂變，邁特納根據(jù)液滴模型算出，被電斥力推開的“裂變碎片”所帶的能量約是，她又將愛因斯坦的質(zhì)能方程。應(yīng)用于哈恩實驗中得到的數(shù)據(jù)──鈾核與碎片之間的質(zhì)量差約為一個質(zhì)子質(zhì)量的，乘以，得到大約，兩個結(jié)果一致!裂變假說得到了堅實的證據(jù)。

（動畫顯示）鈾核的分裂過程，如圖2所示。

（動畫顯示與教師講解）重核分裂成中等質(zhì)量的核而放出核能的反應(yīng)，稱為裂變。

（動畫顯示）兩種可能的鈾核裂變方程是

，

。

（設(shè)問）鈾核裂變確實能釋放出巨大的核能，那么使鈾核實現(xiàn)持續(xù)的裂變是否可行呢？

3．從可行性考慮──介紹核裂變的鏈式反應(yīng)

（教師講解）發(fā)現(xiàn)核裂變的消息一發(fā)布，費米等物理學(xué)家立即想到由于裂變產(chǎn)生單個的中子，這些中子又會使別的核裂變，形成鏈式反應(yīng)，隨著大量鈾核發(fā)生裂變，中子數(shù)目成幾何級數(shù)地增長，幾千克鈾在幾微秒內(nèi)裂變盡，這是多么大的能量釋放啊!有一次，費米站在他的辦公室的窗旁，俯瞰著紐約市喧鬧的街道，他把手指彎成杯狀──好像拿著一個橙子似的，沉思道：“這么大的一個炸彈，一切就消失了?！?/p>

（動畫顯示）鏈式反應(yīng)如圖3所示。

（教師講解）在一次鈾核裂變中可放出2～3個中子，這些中子被稱做第一代中子。如果能使這些中子（至少有一個）繼續(xù)轟擊鈾核，使之發(fā)生裂變，繼而又產(chǎn)生第二代中子，這樣不斷繼續(xù)下去，中子數(shù)會不斷增加，可能實現(xiàn)原子核的鏈式反應(yīng)。通過鏈式反應(yīng)，實現(xiàn)核能的充分釋放。

要實現(xiàn)鏈式反應(yīng)必須有兩個條件，其一是反應(yīng)物，自然界中能發(fā)生鏈式反應(yīng)的天然原料。

只有一種即鈾235。天然鈾中鈾235很少，每140個鈾原子中只有一個是，其余都是，而只能吸收中子變成放射性同位素。實現(xiàn)鏈式反應(yīng)的第二個條件是的體積要達到一定大小，即達到臨界體積，使中子有足夠的空間機會擊中鈾核。由于與是同一元素的兩種同位素，無法用化學(xué)方法進行分離，故欲提取一個臨界體積的純并非易事。1940年，科學(xué)家制造出了94號新元素Pu，這種非天然元素與一樣，受到一個中子撞擊時容易發(fā)生裂變，而且這種新元素可以用化學(xué)方法從生產(chǎn)它的鈾中分離出來。

（動畫顯示）人工元素钚的產(chǎn)生：

。

。

從核能應(yīng)用的可行性考慮，應(yīng)當(dāng)做到投人小、產(chǎn)出大，可以連續(xù)進行，有足夠的原料。鈾和钚裂變的發(fā)現(xiàn)，使人類進入了核時代。

4．介紹核彈（原子彈）

（掛圖顯示）槍式與內(nèi)爆式原子彈原理。

（幻燈顯示）1964年10月16日15時，中國第一顆原子彈成功爆炸時的巨大蘑菇云；“兩彈一星”功勛王淦昌。

5．介紹核能的和平利用

（設(shè)問）和平利用核能，關(guān)鍵在于控制，若要利用核裂變釋放的核能發(fā)電，必須控制哪些因素？

（要求回答）原料；反應(yīng)速度；能量輸出。

（請學(xué)生閱讀教材、思考、分析后概括）

（教師講解）用來發(fā)生裂變的裝置叫做核反應(yīng)堆。我們來了解核反應(yīng)堆是怎樣實現(xiàn)對原料、反應(yīng)速度與能量輸出調(diào)控的。

（幻燈顯示）科研用反應(yīng)堆外觀、核反應(yīng)堆廠房外景，反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)示意（如圖4所示）。

（設(shè)問）反應(yīng)堆中鈾棒就是核原料，它是用濃縮鈾（其中鈾235占3％-4％）制成的，為什么要用濃縮鈾？

（要求回答）天然鈾中只有0．7％是鈾235，中子轟擊到鈾235核的幾率太低，因此核反應(yīng)堆里必須用濃縮鈾235，并且需要達到一定的體積（即臨界體積），以利于中子擊中鈾核并引發(fā)鏈式反應(yīng)。

（設(shè)問）研究表明，鈾235具有易俘獲慢中子，而不易俘獲快中子的特點。但裂變時產(chǎn)生的中子速度很大（平均能量為2MeV），不容易被鈾235俘獲而引起裂變。核反應(yīng)堆中采取水（）、重水（）或石墨做減速劑使快中子轉(zhuǎn)化為慢中子，其原理是什么？為什么選用水、重水或石墨做減速劑？

（要求回答）視中子與作為減速劑的核發(fā)生彈性正碰，碰撞核的質(zhì)量（一般大于中子質(zhì)量m）設(shè)為M，由于碰撞中動量與動能守恒，一個速度為v的中子，碰后速度大小為，碰撞核與中子質(zhì)量越接近，碰撞前后中子速度的減少量越接近最大值移，亦即中子慢化效果越好。氫核質(zhì)量與中子接近，故用水做減速劑慢化效果最好（這里教師可作預(yù)案：氫核易吸收中子而成為氘核，有可能使鏈式反應(yīng)無法繼續(xù)；重水不易吸收中子，其慢化效果僅次于水，但重水價格昂貴，一般用于科研；石墨的優(yōu)點是材料便宜，易組裝，但慢化效果不如重水）。

（設(shè)問）如前所述，鏈式反應(yīng)一旦形成，巨大能量的釋放是極其迅猛的，為了較平緩地釋放核能，必須控制鏈式反應(yīng)的速度，用什么方法可以控制鏈式反應(yīng)的速度呢？

（要求回答）可通過調(diào)控中子數(shù)來控制反應(yīng)速度，在核反應(yīng)堆中，用鎘材料做成控制棒，當(dāng)反應(yīng)過激時，可將控制棒插入反應(yīng)堆中，吸收過多的中子；當(dāng)需要加快核反應(yīng)時，則將控制棒抽出些，從而控制核反應(yīng)速度。

（幻燈顯示）核電站示意圖，如圖5所示。

（教師講解）核燃料裂變釋放出來的能量大部分轉(zhuǎn)化為熱能，使反應(yīng)區(qū)溫度升高。水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應(yīng)堆冷卻，保證安全。核反應(yīng)堆放出的熱使水變成水蒸氣，推動汽輪發(fā)電機發(fā)電。

6．討論、分析核電站的優(yōu)缺點

（教師講解）看待一個事物的出現(xiàn)，總要以辯證的觀點來分析。核能作為新能源，與常規(guī)能源相比，也有它的優(yōu)缺點。

（幻燈顯示）優(yōu)點是核能的能效高，對環(huán)境污染少。

缺點是核電站產(chǎn)生的“廢物”具有放射性，其放射線對人和生物是有害的，而且有些裂變產(chǎn)物的半衰期可達幾千年，隨著地球上的核電站越來越多，核廢料的處理將是擺在人類面前的一個重要問題。

點評本節(jié)課的--從“知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀”三個維度著手，對教材的三個部分（什么樣的核反應(yīng)可以釋放核能；裂變的特點；核能的和平利用──核電站）以豐富的多媒體課件、詳實的資料文字和多元的教學(xué)手法，對學(xué)生展開物理學(xué)史、科學(xué)方法、辯證唯物主義思想、創(chuàng)新意識及人文精神的教育。完美地展示了人類從揭示核能、研究核能到和平利用核能的發(fā)展過程，較好地落實了新課程教學(xué)。

延伸閱讀

裂變、聚變

一位優(yōu)秀的教師不打無準備之仗，會提前做好準備，作為教師準備好教案是必不可少的一步。教案可以讓學(xué)生們充分體會到學(xué)習(xí)的快樂，幫助教師緩解教學(xué)的壓力，提高教學(xué)質(zhì)量。優(yōu)秀有創(chuàng)意的教案要怎樣寫呢？為了讓您在使用時更加簡單方便，下面是小編整理的“裂變、聚變”，希望能為您提供更多的參考。

裂變、聚變

教學(xué)目標

1.知道重核的裂變和鏈式反應(yīng).

2.知道什么是聚變.

3.知道核反應(yīng)堆和核電站。

4、通過介紹我國核電站的發(fā)展，對學(xué)生進行愛國主義教育。

5、通過介紹放射性污染和防護，進行環(huán)保教育。

6、了解聚變反應(yīng)的特點，知道可控?zé)岷朔磻?yīng)。

7、知道熱核反應(yīng)的區(qū)別及優(yōu)越性。

8、通過介紹我國在可控?zé)岷朔磻?yīng)方面成就，對學(xué)生進行愛國主義教育。

課題引入

1、核反應(yīng)有些釋放能量，有些吸收能量，人們想利用核能，當(dāng)然必須選那些釋放核能的核反應(yīng)。什么樣的核反應(yīng)能釋放核能呢？利用天然放射性放射性元素的衰變行嗎？例如

U238在α衰變時放出的α粒子具有4.18MeV的能量，但它的半衰期很長，達4.49億年，衰變非常緩慢，功率太小。利用人工轉(zhuǎn)變行嗎？例如

①可放出能量5.6MeV；

②可放出能量4.8MeV；

但粒子擊中原子核的概率太低，只有百萬分之一、二。實在得不償失！有哪些核反應(yīng)才真正具有實用價值呢？

2、說明有些重核分裂成中等質(zhì)量的核，有些輕核結(jié)合成中等質(zhì)量的核都能發(fā)生質(zhì)量虧損放出巨大能量。物理學(xué)中，把重核分裂成質(zhì)量較小的核，釋放出核能的反應(yīng)叫裂變，把輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，釋放出核能的反應(yīng)叫聚變。本節(jié)（包括課本第六節(jié)、第七節(jié)）介紹裂變和聚變。

重難點分析

1、裂變和聚變

精確的研究表明原子核中核子的平均質(zhì)量跟原子序數(shù)的關(guān)系，如人教社教材中圖24-11所示，這個圖線是解釋那些核反應(yīng)釋放能量的根據(jù)。這個圖線表達了原子核組成的重要規(guī)律。按圖線分析可知，怎樣的反應(yīng)有質(zhì)量虧損是釋放能量的，從而明確：裂變是重核分裂為質(zhì)量較小的核，釋放核能的反應(yīng)；聚變是輕核結(jié)合為質(zhì)量較大的核釋放出核能的反應(yīng).

2、鈾核的裂變

鈾核的裂變，一般分裂為兩個中等質(zhì)量的核，叫二分裂，產(chǎn)物是多種多樣的，一種典型的反應(yīng)如下述核反應(yīng)方程所示：

（也有三分裂、四分裂現(xiàn)象，但出現(xiàn)的概率極低，約為二分裂的千分之三和萬分之三。）

這個核反應(yīng)的結(jié)果中，又釋放出2-3個中子，這些中子又會引起其他原子核的裂變，形成鏈式反應(yīng)，使裂變繼續(xù)下去。當(dāng)然維持鏈式反應(yīng)是要有一定條件的，這個條件是，每次裂變產(chǎn)生的中子，至少平均有一個能再度引起裂變反應(yīng)。這些中子，有的可能被雜質(zhì)吸收，有可能穿出裂變物質(zhì)體外，因而不能引起新的裂變發(fā)生。為維持鏈式反應(yīng)要減少裂變物質(zhì)中的雜質(zhì)，增大裂變物質(zhì)的體積?？梢院唵谓榻B臨界體積、臨界質(zhì)量的概念，純U235球形的直徑約4.8cm就達到了臨界體積，其臨界質(zhì)量大約1kg左右.

根據(jù)質(zhì)能方程可以計算出上述裂變反應(yīng)釋放的能量為201MeV.鈾核的每個核子平均釋放約1MeV.

3、核電站

利用核能發(fā)電的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆.核反應(yīng)堆是用人工控制鏈式反應(yīng)的裝置，教學(xué)中要重點講述用人工方法控制鏈式反應(yīng)速度的原理。其構(gòu)造可利用掛圖，分五部分予以介紹.

（1）鈾棒.由濃縮鈾制成，作為核燃料

（2）減速劑：常用的減速劑有石墨、重水等，使裂變中產(chǎn)生的快中子（能量在0.1-20MeV，平均約為2MeV）減速為慢中子（能量約為MeV），因為鈾235裂變需要的是慢中子，只有通過減速，才能維持鏈式反應(yīng)的進行.

（3）控制棒：用鎘制成.鎘吸收中子的能力很強，調(diào)節(jié)鎘棒插入的深度，改變吸收中子的數(shù)量，達到控制鏈式反應(yīng)速度的目的.

（5）冷卻劑，常用水，液體鈉等，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能傳出去用以發(fā)電，同時降溫，保證安全.

4、聚變

聚變時平均每個核子釋放的能量是裂變時的3-4倍（可以通過質(zhì)能方程計算一下：

釋放17.6MeV平均每個核子釋放3.52MeV）

產(chǎn)生輕核聚變的條件是高溫。必須使輕核具有很大的動能，才能使它們接近到10－15m發(fā)生聚變.

熱核反應(yīng)和裂變反應(yīng)相比，具有許多優(yōu)越性。熱核反應(yīng)釋放能量比裂變反應(yīng)大的多；熱核反應(yīng)產(chǎn)生放射性物質(zhì)處理起來比裂變反應(yīng)產(chǎn)生放射性物質(zhì)容易；熱核反應(yīng)用的氘，儲量豐富。

我國自行研制可控?zé)岷朔磻?yīng)裝置中國環(huán)流一號于1984年9月啟動。具有國際先進水平的可控?zé)岷朔磻?yīng)實驗裝置HT-T超導(dǎo)托卡馬克于1994年安裝成功，標志我國在研究可控?zé)岷朔磻?yīng)方面具有一定的實力。

鞏固小結(jié)

核反應(yīng)、核能與裂變

教學(xué)重點：核的人工轉(zhuǎn)變和核能的計算

教學(xué)難點：核能的計算

教學(xué)示例：

一、人工核轉(zhuǎn)變

1、質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)

盧瑟福

2、中子的發(fā)現(xiàn)

查德威克

二、核能

1、核能

2、質(zhì)量虧損

3、質(zhì)能方程

；

4、核能的計算

例題1：已知質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核時的質(zhì)量虧損為0.0040×10-27kg，則此過程中釋放的能量為多少？

解：根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程知

=eV

=2.2MeV

例題2：靜止的鋰核

解：（1）

（2）根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程知：

=

三、核裂變

物理學(xué)中把重核分裂成質(zhì)量較小的核，釋放核能的反應(yīng)叫裂變．

四、鈾核的裂變

1、裂變方程

具有多樣性

2、核能的釋放

舉例計算鈾核裂變過程釋放的能量

3、鏈式反應(yīng)

動畫演示此過程

五、裂變的應(yīng)用

1、原子彈

2、核反應(yīng)堆

六、作業(yè)

第2節(jié)核裂變教師用書

一名合格的教師要充分考慮學(xué)習(xí)的趣味性，作為教師就要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容制定合適的教案。教案可以讓學(xué)生能夠在教學(xué)期間跟著互動起來，幫助教師能夠更輕松的上課教學(xué)。那么一篇好的教案要怎么才能寫好呢？下面的內(nèi)容是小編為大家整理的第2節(jié)核裂變教師用書，歡迎閱讀，希望您能夠喜歡并分享！

第2節(jié)核裂變
學(xué)習(xí)目標知識脈絡(luò)
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．(重點)
2.知道什么是鏈式反應(yīng).
3.會計算重核裂變過程中釋放出的能量．(重點)
4.知道什么是核反應(yīng)堆．了解常用裂變反應(yīng)堆的類型．(難點)

重核的裂變
[先填空]
1．重核的裂變
(1)核裂變：用中子轟擊鈾核，鈾核分裂成質(zhì)量相近的兩部分，并釋放出能量的核反應(yīng)過程叫做核裂變．
(2)裂變能：核裂變釋放出的能量稱為裂變能，也稱核能或原子能．核裂變是釋放核能的方法之一．
(3)鈾核裂變的產(chǎn)物多種多樣，其中有代表性的有：
10n＋23592U→9538Sr＋13954Xe＋210n
10n＋23592U→14156Ba＋9236Kr＋310n.
2．鏈式反應(yīng)
(1)定義：在23592U核裂變釋放出巨大能量的同時，平均每次可以放出2～3個中子，這些中子稱為第1代中子，如果其中至少有一個繼續(xù)轟擊23592U，使之發(fā)生裂變，就能產(chǎn)生第2代中子，這樣不斷繼續(xù)下去，中子會不斷增加，裂變反應(yīng)就會不斷加強，就形成了裂變的鏈式反應(yīng)．能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的鈾塊的最小體積叫做臨界體積．
(2)條件：發(fā)生鏈式反應(yīng)必須具備兩個條件：a.鈾核的體積達到臨界體積；b.必須存在持續(xù)不斷的中子源．
[再判斷]
1．原子核釋放粒子的過程也是核裂變的過程．(×)
2．用中子轟擊重核使之分裂實現(xiàn)核裂變．(√)
3．利用不可控的快中子轟擊超過臨界體積的鈾塊產(chǎn)生鏈式反應(yīng)制成原子彈．(√)
[后思考]
重核裂變反應(yīng)是否滿足電荷數(shù)守恒？是否滿足質(zhì)量數(shù)守恒？
【提示】重核裂變反應(yīng)屬于核反應(yīng)，滿足電荷數(shù)守恒，質(zhì)量數(shù)守恒．
[核心點擊]
1．鈾核的裂變和裂變方程
(1)核子受激發(fā)：當(dāng)中子進入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核，復(fù)核中由于核子的激烈運動，使核變成不規(guī)則的形狀．
(2)核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出2或3個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進行下去，釋放出越來越多的核能．
(3)常見的裂變方程：
①23592U＋10n―→13954Xe＋9538Sr＋210n.
②23592U＋10n―→14456Ba＋8936Kr＋310n.
2．鏈式反應(yīng)的條件
(1)有慢中子轟擊．
(2)鈾塊的體積大于臨界體積，或鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量．
以上兩個條件滿足一個，則另一個條件自動滿足．
3．裂變反應(yīng)的能量：鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量．一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變放出的能量相當(dāng)于2800t標準煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產(chǎn)生幾百萬度的高溫．
4．鈾的同位素中鈾235比鈾238更易發(fā)生鏈式反應(yīng)
在天然鈾中，主要有兩種同位素，99.3%的是鈾238，0.7%的是鈾235，中子能引起這兩種鈾核發(fā)生裂變，但它們和中子發(fā)生作用的情況不同．
(1)鈾235：俘獲各種能量的中子都會發(fā)生裂變，且俘獲低能量的中子發(fā)生裂變的概率大．
(2)鈾238：只有俘獲能量大于1MeV的中子才能發(fā)生裂變，且裂變的幾率?。芰康陀?MeV的中子只與鈾核發(fā)生彈性碰撞，不引起裂變．因此，為了使鏈式反應(yīng)容易發(fā)生，最好利用純鈾235.
1．(多選)關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是()
A．核裂變釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量
B．鈾核裂變在自然界中會自發(fā)地產(chǎn)生
C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少
D．由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能
【解析】根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變釋放能量的原理分析可知，裂變時因鈾核俘獲中子發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程，因而釋放的能量遠大于其俘獲中子時吸收的能量；重核裂變只能發(fā)生在人為核反應(yīng)中；在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會減少的，因此A正確，B、C錯誤．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時，由于平均質(zhì)量減小，必然發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能，所以D正確．
【答案】AD
2．(多選)1938年哈恩用中子轟擊鈾核，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中有原子核鋇(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射線．下列關(guān)于這個實驗的說法中正確的是()
A．這個實驗的核反應(yīng)方程是23592U＋10n―→14456Ba＋8936Kr＋310n
B．這是一個核裂變過程，反應(yīng)后粒子質(zhì)量之和大于反應(yīng)前粒子質(zhì)量之和
C．實驗中產(chǎn)生的γ射線穿透能力極強
D．這個反應(yīng)中釋放出的能量可以用愛因斯坦的質(zhì)能方程來計算
【解析】根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，鈾核裂變的核反應(yīng)方程應(yīng)為：23592U＋10n―→14456Ba＋8936Kr＋310n，選項A正確；鈾核裂變過程中產(chǎn)生γ射線，放出能量，發(fā)生質(zhì)量虧損，釋放的能量根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程計算，選項B錯誤，D正確；核反應(yīng)中產(chǎn)生的γ射線，穿透能力極強，是能量極高的光子，選項C正確．
【答案】ACD
3．現(xiàn)有的核電站比較廣泛采用的核反應(yīng)之一是：23592U＋10n→14360Nd＋Zr＋310n＋80－1e＋ν
(1)核反應(yīng)方程中的ν是中微子，它不帶電，質(zhì)量數(shù)為零．試確定生成物鋯(Zr)的電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù)；
(2)已知鈾(U)核的質(zhì)量為235.0493u，中子質(zhì)量為1.0087u，釹(Nd)核質(zhì)量為142.9098u，鋯核質(zhì)量為89.9047u．又知1u＝1.6606×10－27kg，試計算，1kg鈾235大約能產(chǎn)生的能量是多少？
【解析】(1)根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，可得
Zr的電荷數(shù)Z＝92－60＋8＝40
質(zhì)量數(shù)A＝236－143－3×1＝90.
(2)方法一：質(zhì)量虧損
Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.2174u.
一個鈾核裂變釋放能量
ΔE＝Δm×931.5MeV
＝0.2174×931.5MeV≈202.5MeV
1kg鈾核含有的原子核數(shù)為
n＝1000235×6.02×1023個≈2.562×1024個
1kg鈾核產(chǎn)生的能量
E總＝nΔE＝2.562×202.5×1024MeV
≈5.2×1026MeV＝5.2×1026×106×1.6×10－19J
≈8.3×1013J.
方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)
＝0.2174u＝0.2174×1.6606×10－27kg
≈3.6×10－28kg
ΔE＝Δmc2＝3.6×10－28×(3×108)2J＝3.24×10－11J
n＝1000235×6.02×1023個≈2.562×1024個
E總＝nΔE＝2.562×1024×3.24×10－11J≈8.3×1013J.
【答案】(1)4090(2)8.3×1013J
重核裂變核能計算的方法
解答這類問題，一般是先根據(jù)核反應(yīng)方程求出一個重核裂變時發(fā)生的質(zhì)量虧損，由質(zhì)能方程計算出釋放的能量，然后用阿伏加德羅常數(shù)把核能與重核質(zhì)量聯(lián)系起來；另外，在計算過程中要注意單位的統(tǒng)一．
裂變反應(yīng)堆
[先填空]
1．核反應(yīng)堆：能維持和控制核裂變的裝置．
2．核反應(yīng)堆的構(gòu)成：堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和防護層等部分．
(1)堆芯：由燃料棒、減速劑和冷卻劑組成．
(2)中子反射層：反射核裂變中產(chǎn)生的中子，使其進一步參加鏈式反應(yīng)．
(3)控制棒：用能吸收慢中子的鎘或硼鋼制成，以控制鏈式反應(yīng)的速度．
[再判斷]
1．核反應(yīng)堆可以人工控制核反應(yīng)速度．(√)
2．減速劑的作用使快中子減速變成慢中子．(√)
3．鏈式反應(yīng)一旦形成無法進行人工控制．(×)
[后思考]
核反應(yīng)堆中的防護層的構(gòu)造和作用是什么？
【提示】核反應(yīng)堆中的防護層一般由金屬套、防止中子外逸的水層以及1m～2m厚的鋼筋混凝土構(gòu)成，可以有效地防止射線對人體及其他生命的侵害．
[核心點擊]
1．核反應(yīng)堆的組成
核反應(yīng)堆由堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和防護層等部分組成．其中控制棒用能吸收慢中子的鎘或硼鋼制成，以控制鏈式反應(yīng)的速度．之所以把它叫做“堆”，是因為世界上第一個核反應(yīng)堆是用石墨塊(用以控制反應(yīng)速度)和金屬鈾塊(反應(yīng)燃料)一層一層交替地“堆”起來而構(gòu)成的．
2．核反應(yīng)堆與原子彈爆炸的比較
原子彈爆炸時鏈式反應(yīng)的速度是無法控制的，為了用人工方法控制鏈式反應(yīng)的速度，使核能比較平緩地釋放出來，人們制成了核反應(yīng)堆(核電站的核心設(shè)施)．核反應(yīng)堆是人工控制鏈式反應(yīng)的裝置．
3．核電站發(fā)電的主要原理
核燃料裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高．水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去．反應(yīng)堆放出的熱使水變成水蒸氣，這些高溫高壓的蒸汽推動汽輪發(fā)電機發(fā)電．這一部分的工作原理和火力發(fā)電相同．
4．關(guān)于核反應(yīng)堆中用鎘棒控制反應(yīng)速度的原理，下列說法正確的是()
A．鎘棒能釋放中子，依靠釋放的多少控制反應(yīng)速度
B．用鎘棒插入的多少控制快中子變?yōu)槁凶拥臄?shù)量
C．利用鎘棒對中子吸收能力強的特點，依靠插入的多少控制中子數(shù)量
D．鎘棒對鈾核裂變有一種阻礙作用，利用其與鈾的接觸面積的大小控制反應(yīng)速度
【解析】鎘棒不是離子源不會釋放中子，A錯誤，也不是減速劑，不能使快中子變?yōu)槁凶?，B、D錯誤，鎘棒對中子有吸收作用，通過中子強度檢測器檢測，當(dāng)反應(yīng)太強，鎘棒能自動插入，多吸收中子，反之，自動抽出，少吸收中子，故鎘棒也叫控制棒，C正確．
【答案】C
5．(多選)關(guān)于原子核反應(yīng)堆，下面哪種說法是正確的()
A．鎘棒是核燃料，裂變時釋放核能
B．鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率
C．石墨的作用是吸收中子
D．冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱量
【解析】核燃料即為用濃縮鈾制成的鈾棒，鈾棒裂變時釋放核能；鎘棒具有很強的吸收慢中子的能力，通過控制鎘棒插入的深度來控制鏈式反應(yīng)的速度，即可控制反應(yīng)堆的功率；石墨的作用是使裂變產(chǎn)生的快中子減速成為慢中子；冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱量．則B、D正確，A、C錯誤．
【答案】BD
學(xué)業(yè)分層測評(十二)
(建議用時：45分鐘)
學(xué)業(yè)達標]
1．(多選)當(dāng)一個重核裂變時，它所產(chǎn)生的兩個核()
A．含有的質(zhì)子數(shù)較裂變前重核的質(zhì)子數(shù)不變
B．含有的中子數(shù)較裂變前重核的中子數(shù)不變
C．裂變時釋放的能量等于俘獲中子時得到的能量
D．可能是多種形式的兩個核的組合
【解析】由于在裂變反應(yīng)中吸收一個中子而釋放2～3個中子，質(zhì)子數(shù)并沒有發(fā)生變化，而兩個新核的中子數(shù)減少，故選項A正確，B錯誤；反應(yīng)后質(zhì)量發(fā)生了虧損而釋放能量，并不等于俘獲中子時得到的能量，在裂變反應(yīng)中，產(chǎn)物并不是唯一的，而是多種多樣的，故選項D正確，選項C錯誤．
【答案】AD
2．(多選)關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是()
A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量
B．中子從鈾塊中通過時，但不一定發(fā)生鏈式反應(yīng)
C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減小
D．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能
【解析】根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變釋放核能的原理分析可知，裂變時因鈾核俘獲中子即發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程．釋放的能量遠大于其俘獲中子時吸收的能量．鏈式反應(yīng)是有條件的，即鈾塊的體積必須大于其臨界體積，如果體積小，中子從鈾塊中穿過時，碰不到原子核，則鏈式反應(yīng)就不會發(fā)生．在裂變反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)均守恒；即核子數(shù)守恒，所以核子數(shù)是不會減小的，因此選項A、C錯誤，B正確；重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時，發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能，選項D正確．
【答案】BD
3．鈾核裂變時，對于產(chǎn)生鏈式反應(yīng)的重要因素，下列說法中正確的是()【導(dǎo)學(xué)號：64772108】
A．反應(yīng)堆中鈾的質(zhì)量是重要因素與體積無關(guān)
B．為了使裂變的鏈式反應(yīng)容易發(fā)生，最好直接利用裂變時產(chǎn)生的中子
C．若鈾235的體積超過它的臨界體積，裂變的鏈式反應(yīng)就能夠發(fā)生
D．能否發(fā)生鏈式反應(yīng)與鈾塊的質(zhì)量無關(guān)
【解析】要使鈾核裂變發(fā)生鏈式反應(yīng)，鈾塊的體積必須等于或大于臨界體積，如果組成鈾塊的體積小于臨界體積，則不會發(fā)生鏈式反應(yīng)．裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的中子為快中子，這些快中子不能直接引發(fā)新的裂變．如果鈾塊的質(zhì)量大，則其體積大，若超過臨界體積則發(fā)生鏈式反應(yīng)，由此知A、B、D錯誤，C正確．
【答案】C
4．(多選)鈾核裂變是核電站核能的重要來源，其一種裂變反應(yīng)式是23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n.下列說法正確的有()
A．上述裂變反應(yīng)中伴隨著中子放出
B鈾塊體積對鏈式反應(yīng)的發(fā)生無影響
C．鈾核的鏈式反應(yīng)可人工控制
D．鈾核的半衰期會受到環(huán)境溫度的影響
【解析】根據(jù)裂變反應(yīng)的規(guī)律和影響半衰期的因素解決問題．裂變反應(yīng)式中的10n為中子，鈾塊體積大于臨界體積，才能發(fā)生鏈式反應(yīng)，且鈾核的鏈式反應(yīng)是可控的，選項A、C正確，選項B錯誤；放射性元素的半衰期不受外界壓強、溫度的影響，選項D錯誤．
【答案】AC
5．下列核反應(yīng)中，表示核裂變的是()
A.23892U―→23490Th＋42He
B.23592U＋10n―→14456Ba＋8936Kr＋310n
C.146C―→147N＋0－1e
D.94Be＋42He―→126C＋10n
【解析】題目選項中，23892U―→23490Th＋42He是α衰變，146C―→147N＋0－1e是β衰變，94Be＋42He―→126C＋10n是人工轉(zhuǎn)變，只有C選項是重核裂變，故B正確．
【答案】B
6．(多選)2020年以前我國將新增投產(chǎn)2300萬千瓦的核電站，核電站與火電站相比較，下列說法正確的是()
A．核燃料釋放的能量遠大于相等質(zhì)量的煤放出的能量
B．就可采儲量來說，地球上核燃料資源遠大于煤炭
C．在經(jīng)濟效益方面核電與火電不相上下
D．核電站沒有任何污染
【解析】核燃料釋放的能量遠大于相等質(zhì)量的煤放出的能量，A項正確；就可采儲量所提供的能量來說，遠大于煤炭所能提供的能量，而不是采儲量，B項錯；在經(jīng)濟效益方面核電與火電不相上下，C項正確；核電站是有污染的，核反應(yīng)堆用過的核廢料具有很強的輻射性，要做特殊處理，D項錯誤．
【答案】AC
7．下面是鈾核裂變反應(yīng)中的一個：23592U＋10n―→13654Xe＋9038Sr＋1010n.已知鈾235的質(zhì)量為235.0439u，中子的質(zhì)量為1.0087u，鍶90的質(zhì)量為89.9077u，氙136的質(zhì)量為135.9072u，則此核反應(yīng)中質(zhì)量虧損Δm＝________u，釋放的核能ΔE＝________MeV.
【導(dǎo)學(xué)號：64772053】
【解析】質(zhì)量虧損Δm＝235.0439u＋1.0087u－135.9072u－89.9077u－10×1.0087u＝0.1507u
由ΔE＝Δmc2可求得釋放的核能ΔE＝0.1507uc2＝0.1507×931.5MeV＝140.3771MeV.
【答案】0.1507140.3771
8．落在日本廣島上的原子彈，相當(dāng)于2萬噸TNT炸藥放出的能量．原子彈放出的能量約8.4×1013J，試問有多少個23592U原子核進行分裂？該原子彈中含23592U的質(zhì)量最小限度為多少千克？(一個23592U原子核分裂時所產(chǎn)生的能量約為200MeV)
【解析】一個23592U原子核分裂時所產(chǎn)生的能量約為200MeV＝200×106eV＝2.0×108×1.6×10－19J＝3.2×10－11J.
設(shè)共有n個23592U核發(fā)生裂變：n＝8.4×10133.2×10－11個≈2.6×1024個，鈾的質(zhì)量m＝235×10－3×2.6×10246.02×1023kg≈1.015kg.
【答案】2.6×1024個1.015kg
能力提升]
9．(多選)我國秦山核電站第三期工程中有兩組60萬千瓦的發(fā)電機組，發(fā)電站的核能來源于23592U的裂變，下列說法正確的是()
A.23592U原子核中有92個質(zhì)子，143個中子
B.23592U的一種可能裂變是變成兩個中等質(zhì)量的原子核，反應(yīng)方程為23592U＋10n―→13954Xe＋9538Sr＋210n
C.23592U是天然放射性元素，常溫下它的半衰期約為45億年，升高溫度半衰期縮短
D．一個23592U裂變能放出200MeV的能量，合3.2×10－11J
【解析】由23592U的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)關(guān)系易知A正確；由核反應(yīng)方程中電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒知B正確；半衰期不受外界因素干擾，故C錯誤；因為200MeV＝200×106×1.6×10－19J＝3.2×10－11J，所以D正確．
【答案】ABD
10．(多選)人們發(fā)現(xiàn)，不同的原子核，其核子的平均質(zhì)量(原子核的質(zhì)量除以核子數(shù))與原子序數(shù)有如圖421所示的關(guān)系．下列關(guān)于原子結(jié)構(gòu)和核反應(yīng)的說法正確的是()
圖421
A．由圖可知，原子核D和E聚變成原子核F時會有質(zhì)量虧損，要吸收能量
B．由圖可知，原子核A裂變成原子核B和C時會有質(zhì)量虧損，要放出核能
C．由原子核A裂變成原子核B和C時要吸收能量
D．在核反應(yīng)堆的鈾棒之間插入鎘棒是為了控制核反應(yīng)速度
【解析】原子核D和E的核子平均質(zhì)量大，結(jié)合成原子核F時存在質(zhì)量虧損，要釋放能量，A錯誤；原子核A的核子平均質(zhì)量大，裂變成原子核B和C時質(zhì)量虧損，要放出核能，B正確、C錯誤；鎘棒可以吸收中子，在反應(yīng)堆中能控制反應(yīng)速度，D正確．
【答案】BD
11.23592U受中子轟擊時會發(fā)生裂變，產(chǎn)生13956Ba和9436Kr，同時放出200MeV的能量，現(xiàn)要建設(shè)發(fā)電能力是50萬千瓦的核電站，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發(fā)電，那么一天需要純鈾235的質(zhì)量為多少？(阿伏加德羅常數(shù)取6.02×1023mol－1)
【解析】每天發(fā)電的總量
E＝24×3.6×103×5×108J＝4.32×1013J.
要得到這么多能量需要裂變的鈾原子數(shù)目n＝4.32×10132×108×1.6×10－19＝1.35×1024(個)．
則對應(yīng)的質(zhì)量
m＝nNAμ＝1.35×10246.02×1023×235×10－3kg＝0.527kg.
【答案】0.572kg
12．在所有能源中，核能具有能量密度大，地區(qū)適應(yīng)性強的優(yōu)勢，在核電站中，核反應(yīng)堆釋放的核能被轉(zhuǎn)化為電能．核反應(yīng)堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量核能．
(1)核反應(yīng)方程式23592U＋10n―→14156Ba＋9236Kr＋aX是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)中的一種，10n為中子，X為待求粒子，a為X的個數(shù)，則X為________，a＝________.以mU、mBa、mKr分別表示23592U、14156Ba、9236Kr核的質(zhì)量，mn、mp分別表示中子、質(zhì)子的質(zhì)量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應(yīng)過程中放出的核能ΔE是多少？
(2)有一座發(fā)電能力為P＝1.00×106kW的核電站，核能轉(zhuǎn)化為電能的效率η＝40%，假定反應(yīng)堆中發(fā)生的裂變反應(yīng)全是本題(1)中的核反應(yīng)，已知每次核反應(yīng)過程放出的核能ΔE＝2.78×10－11J，核的質(zhì)量mU＝390×10－27kg，求每年(1年＝3.15×107s)消耗的23592U的質(zhì)量．
【解析】(1)由反應(yīng)方程可知：X為10n，a為3，釋放的能量為
ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.
(2)因電站發(fā)電效率為40%，故電站消耗23592U的功率為P′＝P40%＝10640%kW＝2.5×106kW，
電站每年消耗235U的能量為W＝Pt＝2.5×109×3.15×107J＝7.875×1016J.
每年消耗23592U的質(zhì)量為
M＝WΔEmU＝7.875×1016×390×10－272.78×10－11kg＝1105kg.
【答案】(1)10n3(mU－mBa－mKr－2mn)c2
(2)1105kg

高三物理核裂變教案29

一位優(yōu)秀的教師不打無準備之仗，會提前做好準備，準備好一份優(yōu)秀的教案往往是必不可少的。教案可以讓學(xué)生更好地進入課堂環(huán)境中來，幫助高中教師能夠更輕松的上課教學(xué)。你知道如何去寫好一份優(yōu)秀的高中教案呢？為滿足您的需求，小編特地編輯了“高三物理核裂變教案29”，希望能對您有所幫助，請收藏。

第二節(jié)核裂變

三維教學(xué)目標

1、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(yīng)；

（3）會計算重核裂變過程中釋放出的能量；

（4）知道什么是核反應(yīng)堆。了解常用裂變反應(yīng)堆的類型，了解核電站及核能發(fā)電的優(yōu)缺點。

2、過程與方法

（1）通過對核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)關(guān)系的理解，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力及應(yīng)用教學(xué)圖像處理物理問題的能力；

（2）通過讓學(xué)生自己閱讀課本，查閱資料，培養(yǎng)學(xué)生歸納與概括知識的能力和提出問題的能力。

3、情感、態(tài)度與價值觀

（1）激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué)、探求真理的激情，樹立實事求是的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生基本的科學(xué)素養(yǎng)，通過核能的利用，思考科學(xué)與社會的關(guān)系；

（2）通過教學(xué)，讓學(xué)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(zhì)的，物質(zhì)是運動變化的，而變化過程必然遵循能量守恒的觀點。

教學(xué)重點：鏈式反應(yīng)及其釋放核能的計算；重核裂變的核反應(yīng)方程式的書寫。

教學(xué)難點：通過核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)的關(guān)系，推理得出由質(zhì)量數(shù)較大的原子核分裂成質(zhì)量數(shù)較小的原子核釋放能量這一結(jié)論。

教學(xué)方法：教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。

教學(xué)用具：多媒體教學(xué)設(shè)備一套：可供實物投影、放像、課件播放等。

（一）引入新課

大家都知道在第二次世界大戰(zhàn)即將結(jié)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(xué)習(xí)裂變，通過學(xué)習(xí)，大家就會對上述問題有初步的了解。

（二）進行新課

1、核裂變（fission）

提問：核裂變的特點是什么？（重核分裂成質(zhì)量較小的核的反應(yīng)，稱為裂變）

總結(jié)：重核分裂成質(zhì)量較小的核，釋放出核能的反應(yīng)，稱為裂變。

提問：是不是所有的核裂變都能放出核能？（只有核子平均質(zhì)量減小的核反應(yīng)才能放出核能）

總結(jié)：不是所有的核反應(yīng)都能放出核能，有的核反應(yīng)，反應(yīng)后生成物的質(zhì)量比反應(yīng)前的質(zhì)量大，這樣的核反應(yīng)不放出能量，反而在反應(yīng)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。

2、鈾核的裂變

（1）鈾核的裂變的一種典型反應(yīng)。

提問：鈾核的裂變的產(chǎn)物是多樣的，最典型的一種核反應(yīng)方程式是什么樣的？

（2）鏈式反應(yīng)：

提問：鏈式反應(yīng)〔chainreaction〕是怎樣進行的？（這種由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈式反應(yīng)）

（3）臨界體積（臨界質(zhì)量）：

提問：什么是臨界體積（臨界質(zhì)量）？（通常把裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的最小體積叫做它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量）

（4）裂變反應(yīng)中的能量的計算。

裂變前的質(zhì)量：

kg，kg

裂變后的質(zhì)量：

kg，kg，kg，

學(xué)生計算：質(zhì)量虧損：

kg，

J=201MeV

總結(jié)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈式反應(yīng)。裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)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。

3、核電站

提問：核核反應(yīng)堆各組成部分在核反應(yīng)中起什么作用？

學(xué)生回答：鈾棒由濃縮鈾制成，作為核燃料。

學(xué)生回答：控制棒由鎘做成，用來控制反應(yīng)速度。

學(xué)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(xué)生回答：冷卻劑由水或液態(tài)的金屬鈉等流體做成，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出，確保反應(yīng)堆的安全。

學(xué)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。

提問：核能發(fā)電的優(yōu)點、缺點？

優(yōu)點：①污染??；②可采儲量大；③比較經(jīng)濟。

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(xué)生用自己的語言敘述，基本正確即可。

補充：了解常用裂變反應(yīng)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。

例題1、下列核反應(yīng)中，表示核裂變的是（）

A、B、

C、D、

分析：核反應(yīng)中有四種不同類型的核反應(yīng)，它們分別是衰變、人工轉(zhuǎn)變、重核裂變、輕核聚變。其中衰變中有衰變、衰變等。

是衰變，是衰變，是人工轉(zhuǎn)變，只的C選項是重核裂變。

解：表示核裂變的是C

例題2、秦山核電站第一期工程裝機容量為30萬kW，如果1g鈾235完全裂變時產(chǎn)生的能量為8.21010J，并且假定產(chǎn)生的能量都變成了電能，那么，每年要消耗多少鈾235?（一年按365天計算）

學(xué)生回答：

解：核電站每天的發(fā)電量為W=Pt=3×108×24×3600J=2.592×1013J，每年的發(fā)電量W總=365W=9.46×1015J而1g鈾完全裂變時產(chǎn)生的能量為：8.2×1010J所以，每年消耗的鈾的量為：

點評：培養(yǎng)學(xué)生推理及公式演算的能力。注意速度單位的換算，運算過程中帶單位運算。適當(dāng)進行愛國主義教育。