三、核能
(一)教学目的
1.常识性了解原子和原子核的组成。
2.常识性了解裂变、链式反应、聚变的大致情况和原子弹、氢弹的制造原理,以及核反应堆的作用。
3.常识性了解研究可控核聚变的重大意义。启发学生想象人类开发利用核能的美好前景,激发学生努力学习科学技术的热情。
(二)教具
原子和原子核的挂图,链式反应的挂图(能用幻灯显示原子、原子核的结构和链式反应的情况更好)。
(三)教学过程
1.引入
板书:核能
指出核能是一种先进的、可以替代常规能源的新能源。目前世界上利用核能发电的核电站已有400多个。其年发电量约占全球年发电总量的17%,到下世纪,核能有时能成为一些国家的主要能源。
要了解核能是怎么回事,就需要从物质结构——原子和原子核的组成说起。
2.新课
板书:原子和原子核的组成
提问:请根据化学课中讲过的内容,说说原子和原子核的组成情况?
教师展示原子和原子核的挂图,归纳小结学生的回答,要求学生明确:任何物质的原子都是由位于原子中心区域带正电的原子核和带负电的核外电子组成的;原子核又是由带正电的质子和不带电的中子(质子和中子统称为核子)组成的。
板书:
讲述:本世纪初,科学家们通过实验和理论研究对原子和有子核的组成有了正确的认识,发现原子核是可以改变的,而且在改变过程中可以释放出巨大的能量——原子核能,简称核能,通常也叫原子能(确切地说,原子能应是原子核能的缩写代名词)。那么,怎样才能有效地获得蕴藏在原子核里的大量核能呢?
旁注:在原子中,原子核和核外电子之间有广阔的空间,而在原子核中,质子和中子则是紧密地结合在一起的。此注供教师参考。
板书:裂变
指导学生阅读教材上讲裂变那一段课文。提出其注意:
(1)裂变指的是什么现象;
(观察教材上铀核裂变的示意图,结合阅读课文中的讲述,了解铀核裂变释放出核能,转化为周围物体的内能是怎么回事;
了解裂变释放出的核能十分巨大。
提问:什么叫裂变?
l千克铀中的铀核如果全部发生裂变,释放出的能量大约是1千克标准煤完全燃烧所放出能量的多少倍?
旁注:检查学生阅读教材的效果。
教师小结并强调:用中子轰击铀235,铀核(质量大的核)会分裂成两部分(两个中等质量的核),这种现象叫做核裂变,简称裂变。根据书上提供的数据很容易算出,1千克铀中的铀核如果全部发生裂变,释放出的能量大约是1千克标准煤完全燃烧所放出能量的2.5×106(250万)倍。由此可知,裂变是获得大量核能的重要途径。
板书:链式反应
教师展示链式反应挂图并讲述:
用中子轰击铀核,才能使铀核发生裂变,放出能量。如果外界的中子停止轰击,裂变也就停止。然而实验表明,铀核分裂时,还同时放出2~3个中子,这一点的意义特别重要。因为放出的中子,又可以轰击其它铀核,使它们也发生裂变。这些铀核分裂时,同样放出中子,从而引起更多的铀核发生裂变。于是裂变反应便会链锁式地自行持续下去。这种现象叫做链式反应。
如果对裂变的链式反应不加控制,在极短时间(约百万分之几秒)会释放出大量核能,发生猛烈爆炸,原子弹就是根据这个原理制成的。
让学生看教材上我国第一颗原子弹爆炸后引起蘑菇状烟云的示意图(说明:原子弹爆炸时,立刻发出强烈的闪光,可照亮100千米以内的天空和地面,闪光后,天空出现一个火球,并迅速上升。火球冷却后变成褐色烟云,同时地面上升起的尘土和烟柱一起形成可上升到15千米高空的蘑菇状烟云。原子弹爆炸时还发出极其强烈的爆炸声,几十千米以外也可听到)。
讲述:为便于和平利用核能,必须控制链式反应的速度,使核能缓慢而又平稳地释放出来。为此,人们制成了一种专门装置。
板书:核反应堆——能缓慢、平稳地释放核能的装置。
让学生看教材上我国第一座核反应堆外貌图(彩图,说明:建造核反应堆,对材料、技术、安全防护设施等都有很高、很严的要求。不但需要解决很多核物理问题,也要求材料科学、电子学、自动控制学等解决许多困难问题。能自行设计、制造核反应堆,表明我国在这一高科技领域取得了重大成就,为和平利用核能创造了必要的条件)。
板书:聚变——获得大量核能的另一重要途径
讲述:科学家们发现,某些质量较小的原子核结合成质量较大的原子核时,也能释放出核能,这种现象叫做核聚变,简称聚变。
让学生看教材上一个氘(dao)核和一个氚(chuan)核结合成一个氦核的聚变反应示意图(说明:一个氘核由一个质子和一个中子组成,一个氚核由一个质子和二个中子组成,它们发生聚变反应结合成由二个质子和二个中子组成的氦核时,要放出一个中子,并释放出核能).
氘核和氚核聚变时放出的能量要比等量的铀核裂变时放出的能量大几倍.
聚变需要在几百万摄氏度的高温下才能发生,因此聚变又叫热核反应.
自然界中,太阳内部的温度高达摄氏1千万度以上,在那里就进行着大规模的聚变反应.太阳辐射出的光和热,正是由聚变反应释放的核能转化而来的.可以说,地球上的人类每天都享用着聚变释放出的能量.
前面讲过,原子弹是利用重核裂变现象制成的.而另一种威力更大的核武器——氢弹,则是利用轻核聚变现象制成的.
人们现在还不能有效地使聚变在人工控制下进行,从而和平利用聚变释放的核能.由于聚变不但放出的能量更多,而且所使用的原料来源也极为丰富,可以从海水中提取.例如,从几升海水中提出的氘在发生聚变后可以提供相当于燃烧1千多升石油放出的能量.因此,目前世界上许多国家都在积极研究核聚变的人工控制(通常又叫可控或受控热核反应)这一非常吸引人的重大课题,并取得了进展.(注:值得一提的是,1991年,欧洲的科学家们首次做成了可控核聚变实验,这是科学史上一件大事,它标志着人类向获得理想的能源迈出了重要的一步.但要达到实用阶段,还需要攻克许多技术难题,未来的任务仍然相当艰巨.)
旁注:利用原子弹爆炸产生的高温,可以引发轻核的聚变反应.
我国自行设计的大型可控核聚变实验装置“中国环流一号”,已于80年代中期在四川省乐山市建成投入使用.近年来,科研人员利用这个实验装置取得了多项研究成果.江泽民主席看了“中国环流一号”后,曾经指出:“受控核聚变是开发人类新能源的尖端项目.一旦实现,地球上的全部海水就会成为巨大的能源库,至少可供人类使用上百亿年.尽管目前工程技术上还有一些困难,但我相信总有一天会突破.”
由以上的介绍可知,人类和平利用核能的前景是美好的.在可控核聚变的研究中,我国必将做出自己的贡献.
3.总结与布置作业
讲述:这节课初步介绍了:
(1)原子和原子核的组成.
(2)原子核里蕴藏着巨大的能量——核能.获得核能的途径,一是裂变,二是聚变.
(3)什么是链式反应,什么是核反应堆,什么是原子弹、氢弹等.
(4)我国和世界上许多国家都在积极研究开发利用核能,并取得了可喜的进展.
这些内容是每个现代社会公民应具有的常识,它对于我们了解物理知识在开发、利用新能源和国防现代化建设以及发展高科技中的作用,都有重要意义.课后,同学们要认真再读读本节课文,思考以下问题.
板书:裂变和链式反应是怎么回事?
核反应堆的作用是什么?
什么叫聚变?为什么说研究可控核聚变是一个非常吸引人的重大课题?
(四)设想、体会
1.本教案是按照九年义务教育初中物理教学大纲的要求,以人教社出版的九年义务教育教材初中物理第二册第十五章“核能”一节为依据,并参考其它版本初中物理教材的有关内容编写的.
2.在教案中,着力通过介绍核能的常识使学生了解物理知识在社会主义现代比建设和发展高科技中的作用,以利于激发学生逐步形成早期的科技觉醒意识.
3.力求讲述的内容简明、扼要,便于学生抓住重点,如对核裂变时释放出核能转化为周围物体的内能问题.只让学生通过阅读教材大致有所了解,而对“裂变后的产物以很大速度向相反方向飞开,与周围的物体分子碰撞,使分子动能增加”则不做深究.又如对“用中子轰击铀核,铀核才能发生裂变,放出能量”的问题,也只作为物理事实告诉学生,而不再做更多的解释.
4.这节课的教学方法以教师边讲、边展示教具为主,同时穿插了指导学生阅读教材和提问等.这样做既符合教学内容的要求,又有利于调动学生学习的主动性、积极性和培养自学能力.
5.经验证明,初中学生很希望了解有关核能的常识,按本教案的设计进行核能一节的教学,不难达到教学大纲规定的教学要求.
一名合格的教师要充分考虑学习的趣味性,高中教师在教学前就要准备好教案,做好充分的准备。教案可以让学生们充分体会到学习的快乐,让高中教师能够快速的解决各种教学问题。优秀有创意的高中教案要怎样写呢?下面是由小编为大家整理的“第3节核聚变第4节核能的利用与环境保护教师用书”,希望对您的工作和生活有所帮助。
第3节核聚变
第4节核能的利用与环境保护
学习目标知识脉络
1.知道聚变反应的特点及其条件,并能计算核聚变释放的能量.(重点)
2.了解可控热核反应及其研究和发展前景.(难点)
3.了解核电站的构造和基本原理,了解核武器的种类.(重点)
4.了解核能利用的优势、危害及其防护措施.
轻核聚变与可控热核聚变反应
[先填空]
1.轻核聚变
采用轻核聚合成较重核引起结合能变化的方式可获得核能.这样的核反应称为轻核聚变.
2.太阳内部核聚变的反应方程
21H+31H→42He+10n.
3.核子聚变的条件
要使核子发生聚变,必须使核子接近核力能发生作用的范围.
4.物质第四态——等离子态
高温等离子体的密度及维持时间达到一定值时才能实现聚变.
5.约束等离子体的三种方式
引力约束、磁约束、惯性约束.
[再判断]
1.太阳中发生的是可控热核聚变反应.(×)
2.轻核发生聚变反应不需要条件.(×)
3.轻核发生聚变反应核子必须接近到核力发生作用的范围.(√)
[后思考]
为什么制造氢弹必须要具有制造原子弹的能力?
【提示】氢弹爆炸是热核反应,需要达到几百万摄氏度的高温才能进行,只有利用原子弹爆炸时的高温高压,才能使氢弹中的聚变材料达到热核反应的条件,故只有具备了制造原子弹能力的国家才能制造氢弹.
[核心点击]
1.聚变发生的条件:要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15m,这要克服电荷间强大的斥力作用,要求使轻核具有足够大的动能,有一种办法就是把它们加热到几百万开尔文的高温.
2.轻核聚变是放能反应:从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应.
3.核聚变的特点
(1)在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放更多的能量.
(2)热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应进行下去.
(3)普遍性:热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆.
4.核聚变的应用
(1)核武器——氢弹:一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置.它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸.
(2)可控热核反应:目前处于探索阶段.
5.重核裂变与轻核聚变的区别
重核裂变轻核聚变
放能原理重核分裂成两个或多个中等质量的原子核,放出核能两个轻核结合成质量较大的原子核,放出核能
放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3~4倍
核废料
处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限,尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%主要原料是氘,氘在地球上的储量非常丰富.1L海水中大约有0.03g氘,如果用来进行热核反应,放出的能量约与燃烧300L汽油相当
可控性速度比较容易进行人工控制,现在的核电站都是用核裂变反应释放核能目前,除氢弹以外,人们还不能控制它
1.(多选)以下说法正确的是()
A.聚变是裂变的逆反应
B.如果裂变释放能量,则聚变反应必定吸收能量
C.聚变须将反应物加热至数百万度以上高温,所以聚变反应又叫热核反应
D.裂变反应速度可以实现人工控制,但却不容易控制轻核聚变反应速度
【解析】聚变是轻核聚合成次轻核,裂变是重核分裂成中等质量的核,二者无直接关系,故A错.聚变和裂变在能量流向上也无直接关系,故B错.核聚变反应是热核反应,需数百万度的高温,但聚变反应一旦开始所释放的能量就远大于所吸收的能量,因此聚变反应还是释放能量的,故C正确,现在已经能实现裂变反应速度的人工控制,但除氢弹外,还不能实现轻核聚变的人工控制,D正确.
【答案】CD
2.(多选)能源是社会发展的基础,发展核能是解决能源问题的途径之一,下列释放核能的反应方程,表述正确的是()【导学号:64772054】
A.31H+21H―→42He+10n是核聚变反应
B.31H+21H―→42He+10n是β衰变
C.23592U+10n―→14456Ba+8936Kr+310n是核裂变反应
D.23592U+10n―→14054Xe+9438Sr+210n是α衰变
【解析】31H+21H―→42He+10n是轻核聚变反应,A正确,B错误;23592U+10n―→14456Ba+8936Kr+310n和23592U+10n―→14054Xe+9438Sr+210n均为重核裂变反应,C正确,D错误.
【答案】AC
3.氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量,该反应方程为:21H+31H―→42He+x,式中x是某种粒子.已知:21H、31H、42He和粒子x的质量分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u;1u=931.5MeVc2,c是真空中的光速.由上述反应方程和数据可知,粒子x是________,该反应释放出的能量为________MeV(结果保留3位有效数字).
【解析】根据质量数和电荷数守恒可得x是10n(中子).核反应中的质量亏损为Δm=2.0141u+3.0161u-4.0026u-1.0087u=0.0189u
所以该反应释放出的能量为
ΔE=Δmc2=17.6MeV.
【答案】10n(或中子)17.6
对轻核聚变理解的两个误区
(1)误认为聚变就是裂变的逆反应.产生这种误区的原因是对聚变和裂变的本质没有理解透,裂变时重核分裂成中等核,而聚变是轻核聚合成为次轻核,无直接关联,并非互为逆反应.
(2)不能正确判断聚变、裂变、衰变及人工转变的方程.这是由对以上四种核反应方程的理解不深刻造成的.这四种方程在形式上很相近,因此判断时容易混淆出错,要想正确判断必须抓住它们的实质:核聚变是轻核结合成质量较大的核,也会放出中子;重核裂变时铀核捕获中子裂变为两个或更多个中等质量的核,并放出几个中子;人工转变常用α粒子或中子去轰击原子核,产生新原子核并放出一个或几个粒子;衰变是原子核自发地转变为另一种核,并向外辐射出α粒子或β粒子的反应,衰变根据向外辐射粒子的不同分为α衰变和β衰变两种.
核能的利用及环境保护
[先填空]
1.核电站:将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂.
工作流程:将反应堆释放的核能转化为蒸汽的内能,再利用蒸汽驱动汽轮机发电转化为电能.
燃料:反应堆以23592U为燃料.
2.核武器:原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器.
3.核能的优势
(1)核能发电比燃煤发电的成本低.
(2)核电站对环境污染比燃煤发电小得多.
4.核能利用存在的危害
(1)核废料的高辐射性.
(2)放射性物质泄漏,产生核污染.
(3)核武器威力巨大,不仅能摧毁生命,而且会使生态环境受到严重破坏.
[再判断]
1.太阳自身强大的引力把高温等离子体约束在一起,维持了其内部的热核反应的进行.(√)
2.磁压缩装置中的环形线圈通电后可以产生磁场,将等离子体约束在环形真空室内.(√)
3.目前,可控热核聚变已经被广泛应用于核电站发电.(×)
[后思考]
原子弹和氢弹的装置有何不同?
【提示】(1)原子弹是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置.
(2)氢弹是一种靠惯性约束、不需人工控制而实现聚变的反应装置.
[核心点击]
1.核能利用
核原料提供的能量巨大,1kg铀释放的全部能量大约相当于2700t标准煤完全燃烧放出的能量.地球上的常规能源一般都无法跟核能相比.除铀外,钍也是一种裂变材料,它比铀更丰富,如果能把钍利用起来,核电的发展前景将更为广阔.热核反应所需的氘更是储量丰富.核原料的运输和储存方便,如:一座100万千瓦核电站一年所需原料铀,只需6辆卡车就可全部运到现场.
核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘,有利于环境保护.
2.环境保护
核电站为防止放射性物质的泄漏,一般有4道安全屏障:二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物,外面密封锆合金包壳,第三道是压力边界,第四道是安全壳.这些措施大大提高了核能利用的安全性.
3.废料处理
对核废料先回收利用,剩下的废料就很少了,将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后,储存在地下浅层废料库,对高放射性的废料采用玻璃固化后,埋藏在深层废料库.加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性.
4.核电站
(1)原理
原子核的链式反应是在人工控制下进行.释放的核能转化为内能,再由蒸汽轮机带动发电机转化为电能,使核能为人类和平建设服务.
(2)优点
①核能发电比燃煤发电的成本低,一座百万千瓦级的核电站,一年只消耗浓缩铀30t左右,而同样功率的燃煤发电站每年要消耗250万吨优质煤.
②核电站对环境的污染要比燃煤发电小得多.
4.(多选)为应对能源危机和优化能源结构,提高清洁能源的比重,我国制定了优先选择核能,其次加快发展风电和再生能源的政策,在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4000万千瓦的水平,请根据所学物理知识,判断下列说法中正确的是()
A.核能发电对环境的污染比火力发电要小
B.所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能
C.所有核电站既有重核裂变,又有轻核聚变释放大量的原子能
D.如果核电站能实现可控轻核聚变发电,其核废料处理更简单,对环境污染更小
【解析】目前核电站都用核裂变,其原料是铀,且核能是比较清洁的能源,故A、B正确,C错,如果核电站能实现可控轻核聚变发电,其核废料处理起来比铀核裂变废料更容易,对环境污染也更小,D正确.
【答案】ABD
5.(多选)关于核能的利用,下列说法正确的是()
A.核电站的反应堆将释放的核能转化为蒸汽的内能,再转化为电能
B.采用“内爆法”促使链式反应,做成的原子弹设计难度大,但材料利用率高
C.核燃料的危害主要是其具有放射性
D.太阳发光主要来自太阳内部重核裂变产生的核能
【解析】核电站的能量转化过程为核能到内能再到电能,A正确.“内爆法”难度大,但材料利用率高,B正确.放射性对人体和环境都有危害,C正确,太阳发光主要来自太阳内部轻核聚变反应释放的能量,D错误.
【答案】ABC
学业分层测评(十三)
(建议用时:45分钟)
学业达标]
1.太阳每秒辐射出来的能量约为3.8×1026J,这些能量是()
【导学号:64772109】
①重核的裂变反应中产生的
②轻核的聚变反应中产生的
③原子核的衰变反应中产生的
④热核反应中产生的
A.①②B.②③
C.③④D.②④
【解析】由于太阳的主要成分是氢,它释放出的巨大能量来源于氢核的聚变反应.这一反应又叫热核反应,故D正确.
【答案】D
2.关于核电站,以下说法正确的是()
A.核电站中的核反应是无法控制的
B.目前核电站主要原料是铀,能量主要来源于核聚变
C.采用增殖反应堆可以使核原料充分利用
D.核电站使用过的核燃料还可以在火力发电厂中二次利用
【解析】目前核电站主要原料是铀,能量主要来源于核裂变,其反应是可以通过控制棒控制反应速度的快慢,A、B均错.采用增殖反应堆可以充分利用铀235之外的原料从而放出更多能量,C对.核废料具有放射性,不能再通过燃烧的方式二次发电,D错.
【答案】C
3.(多选)我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英名称:EAST,俗称“人造太阳”).设可控热核实验反应前氘核(21H)的质量为m1,氚核(31H)的质量为m2,反应后氦核(42He)的质量为m3,中子(10n)的质量为m4,光速为c,正确说法正确的是()
【导学号:64772055】
A.这种装置中发生的核反应方程式是21H+31H―→42He+10n
B.由核反应过程质量守恒可知m1+m2=m3+m4
C.核反应放出的能量等于(m1+m2-m3-m4)c2
D.这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同
【解析】核反应方程为21H+31H―→42He+10n,选项A正确;反应过程中向外释放能量,故质量有亏损,且释放的能量ΔE=Δmc2=(m1+m2-m3-m4)c2,选项B错误,C正确;可控热核反应为核聚变,大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变,可控热核反应目前还不能用于核电站实现发电,故D错误.
【答案】AC
4.(多选)我国在极其困难的情况下,完成了“两弹一星”,长了中国人的志气,打破了西方的讹诈,下列核反应方程中,属于研究两弹的基本核反应方程的是()
【导学号:64772110】
A.147N+42He―→178O+11H
B.23592U+10n―→9038Sr+13654Xe+1010n
C.23892U―→23490Th+42He
D.21H+31H―→42He+10n
【解析】“两弹”指原子弹和氢弹,原子弹的核反应方程是铀核裂变,B选项正确,氢弹的核反应方程是轻核聚变,D选项正确.
【答案】BD
5.(多选)2006年9月28日,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m2,32He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32He所产生的另一个粒子是质子
B.两个氘核聚变成一个32He所产生的另一个粒子是中子
C.两个氘核聚变成一个32He所释放的核能为(2m1-m3-m4)c2
D.与受控核聚变比较,现行的核反应堆产生的废物具有放射性
【解析】由核反应方程221H→32He+10X知,X应为中子,释放的核能应为ΔE=(2m1-m3-m2)c2,聚变反应的污染非常小,而现行的裂变反应的废料具有很强的放射性,故A、C错误,B、D正确.
【答案】BD
6.(多选)我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应方程有:(1)23592U+10n→9038Sr+13654Xe+k10n;(2)21H+31H→42He+d10n;关于这两个方程,下列说法正确的是()
A.方程(1)属于α衰变
B.方程(1)属于重核裂变
C.方程(2)属于轻核聚变
D.方程(1)中k=10,方程(2)中d=1
【解析】方程(1)属于重核裂变,方程(2)属于轻核聚变,故A错,B、C对.据核反应中的质量数守恒和电荷数守恒,可求出k=10,d=1,故D对.
【答案】BCD
7.某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论,其中的两个核反应方程为
11H+126C―→137N+Q1①,
11H+157N―→126C+X+Q2②,
方程中Q1、Q2表示释放的能量,相关的原子核质量如表:
原子核11H
31H
42He
126C
137N
157N
质量/u1.00783.01664.002612.000013.005715.0001
则可以推断X是________,方程中Q1和Q2的大小关系是Q1________Q2.
【解析】由质量数守恒和电荷数守恒,可判断X为42He,①式的质量亏损为Δm1=1.0078u+12.0000u-13.0057u=0.0021u.②式的质量亏损为Δm2=1.0078u+15.0001u-12.0000u-4.0026u=0.0053u,所以Δm2Δm1根据质能方程ΔE=Δmc2可求解Q2Q1.
【答案】42He
8.物理学家们普遍相信太阳发光是由于其内部不断发生从氢核到氦核的核聚变反应.根据这一理论,在太阳内部4个氢核(11H)转化成一个氦核(42He)和两个正电子(01e)并放出能量.已知质子质量mp=1.0073u,α粒子的质量mα=4.0026u,电子的质量me=0.0005u.1u的质量对应931.5MeV的能量.
(1)写出该热核反应方程;
(2)一次这样的热核反应释放出多少兆电子伏的能量?(结果保留四位有效数字)
【解析】(1)热核反应方程为411H→42He+201e.
(2)质量亏损为Δm=4mp-mα-2me=(4×1.0073-4.0026-2×0.0005)u=0.0256u
ΔE=0.0256×931.5MeV=23.85MeV.
【答案】(1)411H→42He+201e(2)23.85MeV
能力提升]
9.(多选)据新华社报道,由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试.下列关于“人造太阳”的说法正确的是()
【导学号:64772056】
A.“人造太阳”的核反应方程是21H+31H→42He+10n
B.“人造太阳”的核反应方程是23592U+10n→14156Ba+9236Kr+310n
C.根据公式E=mc2可知,核燃料的质量相同时,聚变反应释放的能量与裂变反应相同
D.核燃烧的质量相同时,聚变反应过程的质量亏损比裂变反应过程的质量亏损大得多
【解析】21H+31H→42He+10n是氢核聚变方程,故A项正确;根据氢核聚变特点,相同质量的核燃料,氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多,氢核聚变反应过程的质量亏损比裂变反应过程的质量亏损大得多,D正确.
【答案】AD
10.(多选)如图431所示,托卡马克(tokamak)是研究受控核聚变的一种装置,这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnet(磁)的头两个字母以及kotushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词.根据以上信息,下列判断中可能正确的是()
图431
A.这种装置的核反应原理是轻核的聚变,同时释放出大量的能量,和太阳发光的原理类似
B.线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出
C.这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同
D.这种装置是科学家设想的其中一种方案
【解析】聚变反应原料在装置中发生聚变,放出能量,故A对;线圈通电时产生磁场,带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用旋转而不溢出,故B对;核电站的原理是裂变,托卡马克的原理是聚变,故C错;该装置是科学家设想的其中一种方案,故D对.
【答案】ABD
11.我国自行设计并研制的“人造太阳”——托卡马克实验装置运行获得重大进展,这标志着我国已经迈入可控热核反应领域先进国家行列.该反应所进行的聚变过程是21H+31H―→42He+10n,反应原料氘(21H)富存于海水中,而氚(31H)是放射性元素,自然界中不存在,但可以通过中子轰击锂核(63Li)的人工核转变得到.
(1)请把下列用中子轰击锂核(63Li)产生一个氚核(31H)和一个新核的人工核转变方程填写完整:________+10n―→________+31H.
(2)在(1)中,每产生1g氚的同时有多少个63Li核实现了核转变?(阿伏加德罗常数NA取6.0×1023mol-1)
(3)一个氘核和一个氚核发生核聚变时,平均每个核子释放的能量为5.6×10-13J,求该核聚变过程中的质量亏损.
【解析】(1)核反应方程为:63Li+10n―→42He+31H.
(2)因为1g氚为13mol,根据核反应方程,实现核转变的63Li也为13mol,所以有2.0×1023个63Li实现了核转变.
(3)根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,核聚变反应中有5个核子参加了反应,5个核子释放总能量ΔE=5×5.6×10-13J=2.8×10-12J,所以质量亏损为Δm=ΔEc2=2.8×10-123×1082kg=3.1×10-29kg.
【答案】(1)63Li42He
(2)2.0×1023个
(3)3.1×10-29kg
12.核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源.近几年来,受控核聚变的科学可行性已得到验证,目前正在突破关键技术,最终将建成商用核聚变电站.一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦,并释放一个中子.若已知氘原子的质量为2.0141u,氚原子的质量为3.0160u,氦原子的质量为4.0026u,中子的质量为1.0087u,1u=1.66×10-27kg.
(1)写出氘和氚聚变的反应方程;
(2)试计算这个核反应释放出来的能量;
(3)若建一座功率为3.0×105kW的核聚变电站,假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能,求每年要消耗氘的质量?(一年按3.2×107s计算,光速c=3.0×108m/s,结果取两位有效数字)
【解析】(1)氘和氚聚变的反应方程为21H+31H→42He+10n.
(2)该反应过程的质量亏损Δm=2.0141u+3.0160u-4.0026u-1.0087u=0.0188u=3.1208×10-29kg
释放的核能ΔE=Δmc2=3.1208×10-29×(3×108)2J=2.8×10-12J.
(3)设每年要消耗的氘的质量为M,氘原子的质量为MD
由能量守恒可得:MMDΔEη=Pt
可得:M=ptMDΔEη=
3.0×105×103×3.2×107×2.0141×1.66×10-272.8×10-12×0.5kg=23kg.
【答案】(1)21H+31H→42He+10n(2)2.8×10-12J(3)23kg
每个老师需要在上课前弄好自己的教案课件,到写教案课件的时候了。教案课件工作计划写好了之后,才能使接下来的工作更加有序!你们到底知道多少优秀的教案课件呢?下面是小编帮大家编辑的《《§22-5 核反应 核能》 教学设计》,希望能对您有所帮助,请收藏。
《§22-5核反应核能》教学设计
汽车区三中朱国君
教学设计思路
本节以教师讲授为主,辅之于学生课堂练习。教学课件用以辅助教学、辅助学生学习之用。
让学生理解智能方程,练习书写反应方程式。
教育目标
一、知识目标
1.知道原子核的人工转变及核反应的概念和规律。
2.理解核能的概念,知道核反应中的质量亏损。
3.知道爱因斯坦的质能方程,理解质量与能量的关系。
4.会根据质能方程和质量亏损计算核反应中释放的核能。
二、能力目标
1.通过质疑、释疑的思维过程,提高分析探究问题的能力
2.学习归纳、推理、迁移的科学方法
三、德育目标
认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义。
教学重、难点
教学重点
1.核反应中的人工转变及核反应方程;
2.核能的概念.爱因斯坦的质能方程;计算核能。
教学难点
质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解,计算核能。
教学方法
本节以教师讲授为主,辅之于学生课堂练习。教学课件用以辅助教学、辅助学生学习之用。
从核能的利用(核电站)引入课程,指出“核能是人类最终解决能源问题的希望”引发学生的兴趣。用卢瑟福发现质子的核反应(1919年)引出原子核可以实现人工转变的现象。在了解原子核自发和人工转变的基础上,介绍核反应的一般概念,并注意让学生了解核反应中质量数和电荷数守恒的规律。
学生都知道在核反应中会伴随着巨大的能量,那么能量从何而来哪?引出核能的概念。在核能的教学中应注意“一定的质量m和一定的能量mc2相对应”的观点,还应让学生注意,原子核在变化时,其变化前后的总质量是不同的,这种质量差异对应的就是核反应中所吸收或放出的能量.还应注意向学生说明。
从核能的计算中强调要注意单位的换算,如原子质量单位和千克的关系,焦耳和电子伏的关系。
教学过程
○问题情景呈现,导入新课
1:能源是可持续发展问题中的一个重要主题。
大亚湾核电站外观图。
介绍数据:1kg铀235燃烧释放出的原子核能相当于2500吨优质煤燃烧时放出的热量,只需几千克铀235就足够长春市24小时的耗能供应。
课题名称:五、核反应核能
○新课教学
〈一〉核反应
请同学们阅读教材,然后回答以下问题。投影简答题组。
⑴什么是核反应?为什么说原子核的人工转变是核反应的一种?你还知道哪些核反应?
⑵如何用核反应方程表示核反应过程?在核反应中遵循哪些规律?
⑶试比较说明核反应与化学反应的本质区别。
生:阅读有关内容后,先独立思考,然后抽查学生回答问题,互相评价,教师倾听。点拔强调如下:
核反应是一种客观变化,原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程称为核反应。它遵守电荷数与质量数守恒两条规律。核反应方程是对核反应过程的抽象表达。
核反应是原子核的变化,结果是产生了新的元素;而化学反应且是原子的重组,原子外层电子的得失,结果是生成了新的分子,并无新元素的产生。
卢瑟福在1919年,首先发现质子,第一次实现了原子核的人工转变。
在原子核的转变中,遵守哪些规律?如此巨大的核能是从哪里来的呢?这是我们在本节课将要学习和探究的新问题。
完成核反应方程:
查德威克(英)在1832年发现“中子”的核反应方程。
刚才我们研究了核反应中生成新元素和粒子的确定方法及表达形式,下面,我们从能量的角度来分析核反应现象。
二核能的释放及计算
1.核能——核反应中释放的能量。核能是从哪里来的?
学生阅读教材后,独立思考上述问题,教师倾听、询问、了解学生提出的各种疑问,然后启发讲解,投影如下内容:
爱因斯坦质能方程:E=mc2中,E表示物体的能量,m表示物体的质量,c表示真空中的光速。
在国际单位制中,E、m、c的单位分别取J、kg和m/s。
计算:1㎏物体对应多少能量?
这一能量相当于一个100万Kw的发电厂三年的发电量!
可见,物体所包含(或具有)的能量是非常巨大的。对此,爱因斯坦说过:“把任何惯性质量理解为能量的一种贮藏,看来要自然得多。”
物体贮藏着巨大的能量是不容置疑的,但是如何使这样巨大的能量释放出来?从爱因斯坦质能方程同样可以得出,物体的能量变化ΔE与物体的质量变化Δm的关系.
?E=?mc2
?m—质量亏损:如果在一个核反应中,反应前原子核的总质量m1大于反应后原子核的总质量m2,则?m=m1-m2称为质量亏损。
?E:表示与△m相当的能量
质量数与质量的区别
质量数:一个原子质量的为一个质量数
一个原子质量的的大小为1.6606×10-27,称为
“原子质量单位”,符号为u,即:1u=1.6606×10-27㎏
计算:1u的质量相当于________MeV的能量.(1MeV=106eV,1eV=1.6022×10-19J,c=2.9979×108m/s)
解:
例题:已知质子的质量为1.0067277u,中子的质量为1.008665u.氘核的质量为2.013553u,当质子和中子结合成氘核时,
⑴写出核反应方程;
⑵质量亏损;
⑶放出多少能量?
解:
⑴
⑵?m=1.007277u+1.008665u-2.013553u=0.002389u
⑶ΔE=0.002389×931.5MeV=2.22MeV
核能的计算步骤:
1、写出正确的核反应方程。
2、计算核反应前后的质量亏损△m。
3、根据质能方程△E=△m·c2,计算核能。
练习题
氢原子的质量为1.007825u,中子的质量为1.008665u,它们结合成碳12,若已知碳核的质量为12.0000000u;该核反应会放出__________MeV的能量。
答:92.163MeV
小结
核反应
核能
原子核的人工转变
发现质子
发现中子
核反应的规律
质量数守恒
电荷数守恒
质能方程
E=mc2
?E=?mc2
质量亏损——
?m=m1-m2
注意的几个问题:
①质量数不是质量
②记住以下单位换算关系
1MeV=106eV
1eV=1.6022×10-19J
1u(原子质量单位)=1.6606×10-27kg
③1u相当于931.5MeV的能量,这是计算核能经常用到的关系。
教学反馈
课后思考:核能的和平利用。
阅读小材料《中国核电站》
作业:附后面
附:
§22-5核反应核能作业
一、选择题
1.关于核能,下列说法中正确的有[]
A.核子结合成原子核时,需吸收的能量
B.核子结合成原子核时,能放出的能量
C.不同的核子结合成原子核时,所需吸收的能量相同
D.使一个氘核分解成一个中子和一个质子时,吸收的能量是一个恒定值
2.质子的质量mp,中子的质量为mn,它们结合成质量为m的氘核,放出的能量应为[]
A.(mp+mn-m)C2B.(mp+mn)c2C.mc2D.(m-mp)c2
3.关于原子核的能,下面说法正确的是[]
A.使原子核分解成粒子时放出的能量
B.核子结合成原子时需要供给的能量
C.核子结合成原子核时吸收的能量或原子核分解为核子时放出的能量
D.核子结合成原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸收的能量
4.在计算核子和原子核的质量时,以u为单位比较方便,关于u下列说法中正确的是[]
A.1u≈1.66×10-27kg
C.1u相当于931.5MeV能量
D.u表示一个核子的质量
5.关于爱因斯坦质能方程的下列看法中正确的是[]
A.E=mc2中的E是物体以光速c运动的动能
B.E=mc2是物体的核能
C.E=mc2是物体各种形式能的总称
D.由△E=△mc2,在核反应中,亏损的质量△m转化成能量△E放出
E.△E=△mc2表明在核反应中亏损的静质量转化为动质量,被放出的能量带走。
二、填空题
6.已知氢原子的质量为1.007825u,中子的质量为1.008665u,它们结合成碳,碳核的质量为12.000000u,放出的能量为____________________MeV。
7.一个α粒子轰击硼核,生成碳14,并放出0.75MeV的能量。其核反应方程是_________
_________________________,反应中质量亏损是___________________________㎏。
8.正负电子对撞后,转化为两个光子的总能量是_______电子伏。(正负电子质量m=0.91×10-30kg,光子的静止质量为零)
答案
一、选择题
1.BD2.A3.D4.ABC5.CE
二、填空题
6.92.163MeV7.;1.33×10-30
8.1.02×106
核力与核能
1、知识与技能
(1)知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用;
(2)知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小;
(3)理解结合能的概念,知道核反应中的质量亏损;
(4)知道爱因斯坦的质能方程,理解质量与能量的关系。
2、过程与方法
(1)会根据质能方程和质量亏损的概念计算核反应中释放的核能;
(2)培养学生的理解能力、推理能力、及数学计算能力。
3、情感、态度与价值观
(1)使学生树立起实践是检验真理的标准、科学理论对实践有着指导和预见作用的能力;
(2)认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义。
教学重点:质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解。
教学难点:结合能的概念、爱因斯坦的质能方程、质量与能量的关系。
教学方法:教师启发、引导,学生讨论、交流。
教学用具:多媒体教学设备一套:可供实物投影、放像、课件播放等。
(一)引入新课
提问1:氦原子核中有两个质子,质子质量为mp=1.67×10-27kg,带电量为元电荷e=1.6×10-19C,原子核的直径的数量级为10-15m,那么两个质子之间的库仑斥力与万有引力两者相差多少倍?(两者相差1036倍)
提问2:在原子核那样狭小的空间里,带正电的质子之间的库仑斥力为万有引力的1036倍,那么质子为什么能挤在一起而不飞散?会不会在原子核中有一种过去不知道的力,把核子束缚在一起了呢?今天就来学习这方面的内容。
(二)进行新课
1、核力与四种基本相互作用
提示:20世纪初人们只知道自然界存在着两种力:一种是万有引力,另一种是电磁力(库仑力是一种电磁力)。在相同的距离上,这两种力的强度差别很大。电磁力大约要比万有引力强1036倍。
基于这两种力的性质,原子核中的质子要靠自身的引力来抗衡相互间的库仑斥力是不可能的。核物理学家猜想,原子核里的核子间有第三种相互作用存在,即存在着一种核力,是核力把核子紧紧地束缚在核内,形成稳定的原子核,后来的实验证实了科学家的猜测。
提问1:那么核力有怎样特点呢?
(1)核力特点:
第一、核力是强相互作用(强力)的一种表现。
第二、核力是短程力,作用范围在1.5×10-15 m之内。
第三、核力存在于核子之间,每个核子只跟相邻的核子发生核力作用,这种性质称为核力的饱和性。
总结:除核力外,核物理学家还在原子核内发现了自然界的第四种相互作用—弱相互作用(弱力),弱相互作用是引起原子核β衰变的原因,即引起中子转变质子的原因。弱相互作用也是短程力,其力程比强力更短,为10-18m,作用强度则比电磁力小。
(2)四种基本相互作用力:
弱力、强力、电磁力、引力和分别在不同的尺度上发挥作用:
①弱力(弱相互作用):弱相互作用是引起原子核β衰变的原因→短程力;
②强力(强相互作用):在原子核内,强力将核子束缚在一起→短程力;
③电磁力:电磁力在原子核外,电磁力使电子不脱离原子核而形成原子,使原了结合成分子,使分子结合成液 体和固体→长程力;
④引力:引力主要在宏观和宇观尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕着恒星转,并且联系着星系团,决定着宇宙的现状→长程力 。
2、原子核中质子与中子的比例
随着原子序数的增加,稳定原子核中的中子数大于质子数。
思考:随着原子序数的增加,稳定原子核中的质子数和中子数有怎样的关系?(随着原子序数的增加,较轻的原子核质子数与中子数大致相等,但对于较重的原子核中子数大于质子数,越重的元素,两者相差越多)
思考:为什么随着原子序数的增加,稳定原子核中的中子数大于质子数?
提示:学生从电磁力和核力的作用范围去考虑。
总结:
若质子与中子成对地人工构建原子核,随原子核的增大,核子间的距离增大,核力和电磁力都会减小,但核力减小得更快。所以当原子核增大到一定程度时,相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力,这个原子核就不稳定了;
若只增加中子,中子与其他核子没有库仑斥力,但有相互吸引的核力,所以有助于维系原子核的稳定,所以稳定的重原子核中子数要比质子数多。
由于核力的作用范围是有限的,以及核力的饱和性,若再增大原子核,一些核子间的距离会大到其间恨本没有核力的作用,这时候再增加中子,形成的核也一定是不稳定的。因此只有200多种稳定的原子核长久地留了下来。
3、结合能
由于核子间存在着强大的核力,原子核是一个坚固的集合体。要把原子核拆散成核子,需要克服核力做巨大的功,或者需要巨大的能量。例如用强大的γ光子照射氘核,可以使它分解为一个质子和一个中子。
从实验知道只有当光子能量等于或大于2.22MeV时,这个反应才会发生。相反的过程一个质子和一个中子结合成氘核,要放出2.22MeV的能量。这表明要把原子核分开成核子要吸收能量,核子结合成原子核要放出能量,这个能量叫做原子核的结合能。
原子核越大,它的结合能越高,因此有意义的是它的结合能与核子数之比,称做比结合能,也叫平均结合能。比结合能越大,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。
那么如何求原子核的结合能呢?爱因斯坦从相对论得出了物体能量与它的质量的关系,指出了求原子核的结合能的方法。
4、质量亏损
(1)质量亏损
科学家研究证明在核反应中原子核的总质量并不相等,例如精确计算表明:氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些,这种现象叫做质量亏损,质量亏损只有在核反应中才能明显的表现出来。
回顾质量、能量的定义、单位,向学生指出质量不是能量、能量也不是质量,质量不能转化能量,能量也不能转化质量,质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。
(2)爱因斯坦质能方程: E=mc2
相对论指出,物体的能量(E)和质量(m)之间存在着密切的关系,即E=mc2式中, c为真空中的光速。爱因斯坦质能方程表明:物体所具有的能量跟它的质量成正比。由于c2这个数值十分巨大,因而物体的能量是十分可观的。
(3)核反应中由于质量亏损而释放的能量:△E=△m c2
物体贮藏着巨大的能量是不容置疑的,但是如何使这样巨大的能量释放出来?从爱因斯坦质能方程同样可以得出,物体的能量变化△E与物体的质量变化△m的关系:△E=Δmc2
单个的质子、中子的质量已经精确测定。用质谱仪或其他仪器测定某种原子核的质量,与同等数量的质子、中子的质量之和相比较,看一看两条途径得到的质量之差,就能推知原子核的结合能。
说明:
①物体的质量包括静止质量和运动质量,质量亏损指的是静止质量的减少,减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量。
②质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量,只是静止质量的减少。
③在核反应中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律。
④质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。
阅读原子核的比结合能,指出中等大小的核的比结合能最大(平均每个核子的质量亏损最大),这些核最稳定。另一方面如果使较重的核分裂成中等大小的核,或者把较小的核合并成中等大小的核,核子的比结合能都会增加,这样可以释放能量供人使用。
巩固练习
已知:1个质子的质量mp=1.007 277u,1个中子的质量mn=1.008 665u.氦核的质量为4.001 509 u. 这里u表示原子质量单位,1 u=1.660 566×10-27 kg. 由上述数值,计算2个质子和2个中子结合成氦核时释放的能量。(28.3MeV)
文章来源:http://m.jab88.com/j/39436.html
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