核裂變與核聚變【教學(xué)目標(biāo)】一、知識(shí)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?zhǔn)椒磻?yīng)。3．了解核聚變的特點(diǎn)及其條件。4．了解可控?zé)岷朔磻?yīng)及其研究和發(fā)展。二、過(guò)程與方法1．通過(guò)對(duì)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(wèn)題的能力。2．通過(guò)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(shí)的能力和提出問(wèn)題的能力。三、情感、態(tài)度與價(jià)值觀1．激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué)、探求真理的激情，樹立實(shí)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(guò)核能的利用，思考科學(xué)與社會(huì)的關(guān)系。2．通過(guò)教學(xué)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)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(yùn)動(dòng)變化的，而變化過(guò)程必然遵循能量守恒的觀點(diǎn)?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】1．重核裂變的核反應(yīng)方程式的書寫。2．核聚變的特點(diǎn)和條件?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】核聚變的特點(diǎn)和條件?！窘虒W(xué)過(guò)程】一、復(fù)習(xí)提問(wèn)、新課導(dǎo)入教師：大家都知道在第二次世界大戰(zhàn)即將結(jié)束的時(shí)候，美國(guó)于1945年8月6日、9日先后在日本的廣島、長(zhǎng)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(guó)家建成了許多核電站，我國(guó)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(lái)學(xué)習(xí)裂變，通過(guò)學(xué)習(xí)，大家就會(huì)對(duì)上述問(wèn)題有初步的了解。 播放視頻，展示原子彈爆炸的過(guò)程及原子彈爆炸后形成的慘景的片段。學(xué)生：觀看原子彈爆炸的過(guò)程，并形成裂變能放出巨大能量的初步認(rèn)識(shí)。點(diǎn)評(píng)：激發(fā)起學(xué)生主動(dòng)探求知識(shí)的欲望，從而為下一步進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ)。二、新課教學(xué)（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(fèi)米得知后，想到用中子作為入射粒子比??粒子有效得多。費(fèi)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(fèi)米用中子轟擊當(dāng)時(shí)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(guò)分析發(fā)現(xiàn)不屬于從鉛到鈾之間的重元素。1934年5月，費(fèi)米以《原子序數(shù)高于92的元素可能生成》為題，報(bào)道可能產(chǎn)生超鈾元素（費(fèi)米的解釋是錯(cuò)誤的，實(shí)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(hào)元素，它應(yīng)在化學(xué)上與錳及錸類似?！钡聡?guó)女化學(xué)家諾達(dá)克（F.Noddack）針對(duì)費(fèi)米的發(fā)現(xiàn)在1934年9月發(fā)表《論第93號(hào)元素》，認(rèn)為費(fèi)米等人采用“排除其他可能性的方法”來(lái)證明第93號(hào)元素的存在是“決非成功的”，并設(shè)想一種“全新的核反應(yīng)”圖像：“可以想象，當(dāng)重核被中子轟擊時(shí)，該核可能分裂成幾大塊，這些裂片無(wú)疑將是已知元素的同位素，而不是被輻照元素的近鄰?！比欢?，諾達(dá)克的論文沒有得到重視。費(fèi)米認(rèn)為：石蠟或水中的質(zhì)子與中子的質(zhì)量相近，放射源發(fā)射的中子與質(zhì)子碰撞后，速度大大減慢。中子速度低，被原子核俘獲的機(jī)會(huì)增大，核反應(yīng)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(qiáng)了中子轟擊的效果，對(duì)重核裂變的發(fā)現(xiàn)提供了重要前提。1．核裂變提問(wèn)：核裂變的特點(diǎn)是什么？讓學(xué)生閱讀課本核裂變部分內(nèi)容，分小組討論。每一小組由一位同學(xué)陳述小組討論的結(jié)果。 學(xué)生回答：重核分裂成質(zhì)量較小的核的反應(yīng)，稱為裂變。教師總結(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(wèn)：是不是所有的核裂變都能放出核能？讓學(xué)生閱讀有關(guān)核子平均質(zhì)量有補(bǔ)充材料。分小組討論。每一小組由一位同學(xué)陳述小組討論的結(jié)果。學(xué)生回答：只有核子平均質(zhì)量減小的核反應(yīng)才能放出核能。點(diǎn)評(píng)：有利于培養(yǎng)學(xué)生合作式學(xué)習(xí)的能力。知識(shí)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(guò)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(diǎn)評(píng)：個(gè)人及小組的競(jìng)爭(zhēng)，活躍課堂氣氛，激活學(xué)生思維，增加學(xué)習(xí)的趣味性。2．鈾核的裂變鈾核的裂變的一種典型反應(yīng)。提問(wèn)：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？讓學(xué)生閱讀課本核裂變部分內(nèi)容，分小組討論。每一小組由一位同學(xué)陳述小組討論的結(jié)果。學(xué)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(zhì)量小于裂變前的總質(zhì)量，質(zhì)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(shí)放出的能量就相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能！3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)提問(wèn)：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是怎樣進(jìn)行的？學(xué)生回答：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(guò)程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。點(diǎn)評(píng)：學(xué)生用自己的語(yǔ)言敘述，基本正確即可。（1）臨界體積（臨界質(zhì)量）：提問(wèn)：什么是臨界體積（臨界質(zhì)量）？學(xué)生回答：通常把裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?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。裂變質(zhì)量虧損：?m=0.3578×10-27kg。 知識(shí)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(guò)程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?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。（2）發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量，或者鈾塊的體積大于臨界體積。4．教師簡(jiǎn)單介紹原子彈：原子彈是利用重核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)制成的，在極短時(shí)間內(nèi)能夠釋放大量核能，發(fā)生猛烈爆炸。試驗(yàn)中產(chǎn)生了上千萬(wàn)度的高溫和數(shù)百億個(gè)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(gè)巨大的彈坑。在半徑為400米的范圍內(nèi)，沙石被熔化成了黃綠色的玻璃狀物質(zhì)，半徑為1600米的范圍內(nèi)，所有的動(dòng)物全部死亡?！霸訌椫浮眾W本海默在核爆觀測(cè)站里感到十分震驚，他想起了印度一首古詩(shī)：“漫天奇光異彩，有如圣靈逞威，只有一千個(gè)太陽(yáng)，才能與其爭(zhēng)輝。我是死神，我是世界的毀滅者?！泵绹?guó)原子彈突襲廣島和長(zhǎng)崎造成了巨大的毀傷。在長(zhǎng)崎投擲的原子彈爆炸后形成的蘑菇狀云團(tuán)，爆炸產(chǎn)生的氣流、煙塵直沖云天，高達(dá)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?cè)藬?shù)占全市總?cè)丝诘?3%，長(zhǎng)崎市60%的建筑物被摧毀，傷亡86000人，占全市37%。展示中國(guó)第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖。5．核襲擊的防護(hù)（1）核爆炸瞬時(shí)效應(yīng)防護(hù)①利用工事進(jìn)行掩蔽。②在開闊地面上的人員，發(fā)現(xiàn)核爆閃光時(shí)，立即背向爆心臥倒，可減輕傷害。（2）放射性沾染防護(hù)①避開在沾染區(qū)或高照射量率的地區(qū)行動(dòng)。②及時(shí)穿戴個(gè)人防護(hù)器材，防止人體受沾染。③人員通過(guò)沾染區(qū)時(shí)盡量乘坐車輛，在沾染區(qū)作業(yè)時(shí)要盡量縮短時(shí)間。④進(jìn)入沾染區(qū)執(zhí)行任務(wù)的人員，可服用抗輻射藥，減少放射性物質(zhì)在人體內(nèi)的存留。（二）反應(yīng)堆與核電站提問(wèn)：核反應(yīng)堆各組成部分在核反應(yīng)中起什么作用？ 讓學(xué)生閱讀課本核電站部分內(nèi)容，分小組討論。每一小組由一位同學(xué)陳述小組討論的結(jié)果。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(lái)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(shí)叫輕水）做成，用來(lái)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(dòng)，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(hù)層用來(lái)屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線，防止核輻射。教師（提問(wèn)）：核能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)？學(xué)生回答：1．優(yōu)點(diǎn)：①污染??；②可采儲(chǔ)量大；③比較經(jīng)濟(jì)。2．缺點(diǎn)：①一旦核泄漏會(huì)造成嚴(yán)重的核污染；②核廢料處理困難。點(diǎn)評(píng)：學(xué)生用自己的語(yǔ)言敘述，基本正確即可。教師（補(bǔ)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。（三）核聚變提問(wèn)：請(qǐng)同學(xué)們閱讀課本，回答什么叫核聚變？1．兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的反應(yīng)叫做聚變。12H+13H→24He+01n提問(wèn)：為什么輕核的聚變反應(yīng)能夠比重核的裂變反應(yīng)釋放更多的核能？學(xué)生分析：因?yàn)檩^輕的原子核比較重的原子核核子的平均質(zhì)量更大，聚變成質(zhì)量較大的原子核能產(chǎn)生更多的質(zhì)量虧損，所以平均每個(gè)核子釋放的能量就更大。根據(jù)所給數(shù)據(jù)，計(jì)算上面核反應(yīng)放出的能量：氘核的質(zhì)量：mD=2.014102u氚核的質(zhì)量：mT=3.016050u氦核的質(zhì)量：mα=4.002603u中子的質(zhì)量：mn=1.008665u?m=mD+mT-mα+mn=0.018884u?E=?mc2=0.018884u×931.4MeV=17.59MeV歸納補(bǔ)充： （1）氫核聚變反應(yīng)：12H+13H→24He+01n+17.6MeV（2）釋放能量：ΔE＝Δmc2＝17.6MeV，平均每個(gè)核子釋放能量3MeV以上，約為裂變反應(yīng)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(jiǎn)單！提問(wèn)：核聚變發(fā)生的條件是什么？學(xué)生閱讀教材，分析思考、歸納總結(jié)并分組討論。得出結(jié)論。2．聚變條件：參與反應(yīng)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(dòng)能以克服原子核之間巨大的庫(kù)侖斥力。3．實(shí)現(xiàn)的方法：（1）用加速器加速原子核。人工核反應(yīng)：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(wàn)分之一）。（2）把原子核加熱到很高的溫度。將一團(tuán)氘和氚核約束起來(lái)，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(shí)間內(nèi)一起發(fā)生聚變。4．聚變反應(yīng)的特點(diǎn)：聚變反應(yīng)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(yīng)持續(xù)進(jìn)行下去。核聚變又叫熱核反應(yīng)。5．實(shí)例：（1）太陽(yáng)內(nèi)部和許多恒星內(nèi)部溫度高達(dá)107K以上，其反應(yīng)就是熱核反應(yīng)的實(shí)例。太陽(yáng)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(yáng)在“核燃燒”的過(guò)程中“體重”不斷減輕。它每秒有７億噸原子核參與碰撞，轉(zhuǎn)化為能量的物質(zhì)是400萬(wàn)噸。以這個(gè)速度，太陽(yáng)至今已經(jīng)將大約100個(gè)地球質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了能量。科學(xué)家估計(jì)，太陽(yáng)的這種“核燃燒”還能維持50億~60億年。當(dāng)然，與人類歷史相比，這個(gè)時(shí)間很長(zhǎng)很長(zhǎng)！（2）核武器——?dú)鋸?！在短時(shí)間釋放巨大的能量，這就是聚變引起的核爆炸。上世紀(jì)五十年代，人們利用核聚變反應(yīng)制成了用于戰(zhàn)爭(zhēng)的氫彈，氫彈是利用熱核反應(yīng)制造的一種在規(guī)模殺傷武器，在其中進(jìn)行的是不可控?zé)岷朔磻?yīng)，它的威力是原子彈的十幾倍。 提問(wèn)：氫彈爆炸原理是什么？學(xué)生閱讀教材：課本氫彈原理圖，它需要用原子炸藥來(lái)引爆，以獲得熱核反應(yīng)所需要的高溫，而這些原子炸藥又要用普通炸藥來(lái)點(diǎn)燃。6．聚變與裂變相比的優(yōu)點(diǎn)提問(wèn)：目前，人們還不能控制核聚變的速度，但科學(xué)家們正在努力研究和嘗試可控?zé)岷朔磻?yīng)，以使核聚變?cè)旄Ｓ谌祟?。我?guó)在這方面的研究和實(shí)驗(yàn)也處于世界領(lǐng)先水平。請(qǐng)同學(xué)們自學(xué)教材，了解聚變與裂變相比有哪些優(yōu)點(diǎn)？?jī)?yōu)點(diǎn)之一：輕核聚變產(chǎn)能效率高。點(diǎn)拔：氫聚變平均每個(gè)核子放出的能量約為3.3MeV，而鈾核裂變時(shí)平均每個(gè)核子釋放的能量約為1MeV。優(yōu)點(diǎn)之二：地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富。點(diǎn)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(wàn)億噸氘。氚可以利用鋰來(lái)制取，地球上鋰儲(chǔ)量有2000億噸。優(yōu)點(diǎn)之三：是輕核聚變反應(yīng)更為安全、清潔。點(diǎn)撥：實(shí)現(xiàn)核聚變需要高溫，一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反應(yīng)就自動(dòng)終止了。另外，氘和氚聚變反應(yīng)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(shí)高速中子、質(zhì)子與其他物質(zhì)反應(yīng)而生成的放射性物質(zhì)，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(yīng)的主要問(wèn)題：（1）熱核反應(yīng)的點(diǎn)火溫度很高；（2）如何約束聚變所需的燃料；（3）反應(yīng)裝置中的氣體密度要很低，相當(dāng)于常溫常壓下氣體密度的幾萬(wàn)分之一。8．實(shí)現(xiàn)核聚變的兩種控制方案：（1）磁約束：利用磁場(chǎng)來(lái)約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。視頻學(xué)習(xí)：通過(guò)了解我國(guó)在可控?zé)岷朔磻?yīng)方面的成就，激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)熱情和獻(xiàn)身科學(xué)的能力。（2）慣性約束：利用強(qiáng)激光的慣性壓力約束參加反應(yīng)的物質(zhì)?！揪毩?xí)鞏固】1．關(guān)于重核的裂變，以下說(shuō)法中正確的是（）A．鈾235被中子轟擊后都會(huì)分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊，同時(shí)放出幾個(gè)中子B．鈾235被中子轟擊后二者都會(huì)發(fā)生分裂 C．要使鈾塊發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，其體積必須足夠大D．鈾235分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的核，比結(jié)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(lái)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(xué)反應(yīng)放出的能量答案：C3．關(guān)于核聚變，以下說(shuō)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(lái)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(dá)到10-10m以內(nèi)，核力才能起作用D．核聚變比核裂變更易控制答案：A4．關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說(shuō)法正確的是（）A．一次聚變反應(yīng)一定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多B．聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)每個(gè)核子釋放的平均能量一定大C．聚變反應(yīng)中粒子的比結(jié)合能變小D．聚變反應(yīng)中由于形成質(zhì)量較大的核，故反應(yīng)后質(zhì)量變大答案：B5．我國(guó)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(shí)間達(dá)1000s，溫度超過(guò)1億攝氏度，這標(biāo)志著我國(guó)磁約束核聚變研究進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)水平。合肥也成為世界上第一個(gè)建成此類全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置并能實(shí)際運(yùn)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(zhì)量為m1，中子的質(zhì)量為m2，23He的質(zhì)量為m3，質(zhì)子的質(zhì)量為m4，則下列說(shuō)法中正確的是（）A．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)23He所產(chǎn)生的另一個(gè)粒子是質(zhì)子B．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)23He所產(chǎn)生的另一個(gè)粒子是中子C．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)23He所釋放的核能為（2m1－m3－m4）c2D．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)23He所釋放的核能為（2m1－m3－m2）c2 答案：BD6．在某些恒星內(nèi)，3個(gè)α粒子結(jié)合成一個(gè)C，C原子的質(zhì)量是12.0000u，He原子的質(zhì)量是4.0026u，已知1u＝1.66×10－27kg，1u相當(dāng)于931.5MeV，則（）A．反應(yīng)過(guò)程中的質(zhì)量虧損是Δm＝0.0078uB．反應(yīng)過(guò)程中的質(zhì)量虧損是Δm＝1.2948×10－29kgC．反應(yīng)過(guò)程中放出的能量約為7.266MeVD．反應(yīng)過(guò)程中放出的能量約為1.16×10－19J答案：ABC