2022年高三物理 第二十二章 原子核五、核反應(yīng)、核能(第一課時(shí))

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1、2022年高三物理 第二十二章 原子核 五、核反應(yīng)、核能(第一課時(shí)) ●本節(jié)教材分析 在學(xué)生理解了天然放射現(xiàn)象的本質(zhì)是某些元素的原子核自發(fā)地產(chǎn)生核轉(zhuǎn)變,進(jìn)而說(shuō)明用人工控制的某些粒子轟擊原子核也可以使其發(fā)生轉(zhuǎn)變,即原子核可以實(shí)現(xiàn)人工轉(zhuǎn)變.在了解原子核自發(fā)和人工轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)上,介紹核反應(yīng)的一般概念,并注意讓學(xué)生了解核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒的規(guī)律. 核能的教學(xué)中應(yīng)注意“一定的質(zhì)量m和一定的能量mc2相對(duì)應(yīng)”的觀點(diǎn),還應(yīng)讓學(xué)生注意,原子核在變化時(shí),其變化前后的總質(zhì)量是不同的,這種質(zhì)量差異對(duì)應(yīng)的就是核反應(yīng)中所吸收或放出的能量.還應(yīng)注意向?qū)W生說(shuō)明,原子核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損并不破壞質(zhì)量守恒定律,因?yàn)橐?/p>

2、定的質(zhì)量和一定的能量相對(duì)應(yīng). 另外,核能的計(jì)算中要注意單位的換算,如原子質(zhì)量單位和千克的關(guān)系,焦耳和電子伏的關(guān)系. 為了說(shuō)明為什么有些核反應(yīng)釋放能量,有些核反應(yīng)吸收能量,本教材沒(méi)有采用以往學(xué)生較難理解的“結(jié)合能”的概念來(lái)講解這部分內(nèi)容,而是利用質(zhì)量虧損的概念引入“核子平均質(zhì)量”來(lái)講解這部分內(nèi)容.課本插圖中的曲線實(shí)質(zhì)與平均結(jié)合能曲線是一樣的,但可能更利于學(xué)生理解. ●教學(xué)目標(biāo) 一、知識(shí)目標(biāo) 1.知道原子核的人工轉(zhuǎn)變及核反應(yīng)的概念和規(guī)律. 2.理解核能的概念,知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損. 3.知道愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程,理解質(zhì)量與能量的關(guān)系. 二、能力目標(biāo) 會(huì)根據(jù)質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的概念

3、計(jì)算核反應(yīng)中釋放的核能. 三、德育目標(biāo) 認(rèn)識(shí)開(kāi)發(fā)和利用核能對(duì)解決人類能源危機(jī)的重要意義. ●教學(xué)重點(diǎn) 核能的概念.愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程. ●教學(xué)難點(diǎn) 質(zhì)量虧損及愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程的理解. ●教學(xué)方法 本節(jié)以教師講授為主,輔之以學(xué)生課堂練習(xí).先從原子核的天然衰變引出原子核的人工轉(zhuǎn)變,進(jìn)而引入核反應(yīng)的概念,總結(jié)出核反應(yīng)遵從的規(guī)律;從核反應(yīng)中的γ輻射引入核能的概念,再?gòu)暮朔磻?yīng)中的質(zhì)量虧損引出愛(ài)因斯坦質(zhì)能關(guān)系,最后說(shuō)明在核反應(yīng)中釋放能量與質(zhì)量虧損密切相關(guān),給出公式ΔE=mc2 再通過(guò)學(xué)生的課堂練習(xí)加以鞏固. ●教學(xué)用具 無(wú)特殊教具 ●課時(shí)安排 1課時(shí) ●教學(xué)過(guò)程 一、引入新課

4、 [教師提問(wèn)]放射性的本質(zhì)是什么? [學(xué)生回答]原子核的天然衰變. [教師提問(wèn)]那能否利用人工方法使原子核發(fā)生變化呢? [學(xué)生思考]… 本節(jié)課就來(lái)研究原子核人工轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的核反應(yīng)以及所引起的能量變化——核能. 二、新課教學(xué) (一)核反應(yīng) [教師提問(wèn)]如果要人工轉(zhuǎn)變?cè)雍?,那用什么辦法呢? [學(xué)生猜想]用類似于炮彈的東西去轟擊它,看能否把它敲開(kāi). [教師點(diǎn)撥]原子核那么小,用什么作“炮彈”呢? [學(xué)生回答]只能用天然放射線中的微觀粒子. [教師點(diǎn)撥]那α、β、γ粒子都可以作“炮彈”嗎? [學(xué)生思考]… [教師點(diǎn)撥]盡管β、γ粒子的速度很大,但它們的質(zhì)量很小,能量也較小

5、,它們與原子核作用時(shí)一般不能引起原子核的轉(zhuǎn)變,而α粒子由于質(zhì)量和能量較大,它與原子核作用時(shí)很容易使原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變,因此通常用α粒子作為“炮彈”轟擊原子核就可以使原子核實(shí)現(xiàn)人工轉(zhuǎn)變.這個(gè)過(guò)程就是一種核反應(yīng). 1.定義 在核物理學(xué)中,原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過(guò)程,稱為核反應(yīng). 2.原子核的人工轉(zhuǎn)變 (1)盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)(1919年) 147N+42He→178O+11H(質(zhì)子) (2)查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)(1932年) 94Be+42He→126C+10n(中子) [教師點(diǎn)撥]在上面兩個(gè)核反應(yīng)中,反應(yīng)前后反應(yīng)物與生成物的核電荷數(shù)及質(zhì)量數(shù)有什么關(guān)系? [學(xué)

6、生回答]反應(yīng)物與生成物的核電荷數(shù)及質(zhì)量數(shù)總和不變,即守恒. 3.核反應(yīng)遵循的規(guī)律:質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都守恒 [教師點(diǎn)撥]在核反應(yīng)中雖然質(zhì)量數(shù)守恒,但反應(yīng)前后原子核的總質(zhì)量并不守恒. 科學(xué)家研究證明,氘核雖然由一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子組成,但氘核的質(zhì)量并不等于一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量之和,精確計(jì)算表明:氘核的質(zhì)量比一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量之和要小一些,這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損,只有在核反應(yīng)中才能明顯的表現(xiàn)出來(lái). 4.核反應(yīng)的特點(diǎn):存在質(zhì)量虧損 核反應(yīng)前后原子核的質(zhì)量之差叫做質(zhì)量虧損(用Δm表示) [教師點(diǎn)撥]我們知道,在化學(xué)反應(yīng)中往往要伴隨吸熱或放熱,這引起分子或原子的能量發(fā)生變化,這種能量就是我

7、們通常所說(shuō)的化學(xué)能.在核反應(yīng)中也伴隨能量的變化,這種能量就是核能,它要比化學(xué)能巨大的多. 例如:一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子結(jié)合成氘核時(shí),要放出2.2 MeV的能量,這個(gè)能量以γ光子的形式輻射出去.而兩個(gè)氫原子結(jié)合成氫分子釋放的化學(xué)能只不過(guò)幾個(gè)電子伏. (二)核能 1.什么是核能?與核反應(yīng)相聯(lián)系的一種能量. 2.核能的特點(diǎn): (1)與原子核的變化相聯(lián)系,只有在核反應(yīng)中才能體現(xiàn)出來(lái). (2)核能是非常巨大的.屬于非常規(guī)能源. [教師點(diǎn)撥]在核反應(yīng)中既伴隨巨大能量的釋放,又伴隨一定的質(zhì)量虧損,這說(shuō)明質(zhì)量與能量之間有某種聯(lián)系,愛(ài)因斯坦的相對(duì)論回答了這個(gè)問(wèn)題. 3.愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程 相對(duì)論指出

8、,物體的能量(E)和質(zhì)量(m)之間存在著密切的關(guān)系,即 E=mc2式中 c為真空中的光速 關(guān)于質(zhì)能方程的理解: 這個(gè)方程中c是真空中的光速,m是物體的質(zhì)量,E是物體的能量.該方程表明:物體所具有的能量跟它的質(zhì)量成正比.由于c2這個(gè)數(shù)值十分巨大,因而物體的能量是十分可觀的、質(zhì)量為1 kg的物體所具有的能量為9×1016 J,這一能量相當(dāng)于一個(gè)100萬(wàn)kW的發(fā)電廠三年的發(fā)電量.對(duì)此,愛(ài)因斯坦曾說(shuō)過(guò):“把任何慣性質(zhì)量理解為能量的一種貯藏,看來(lái)要自然得多.”物體貯藏著巨大的能量是不容置疑的,但是如何使這樣巨大的能量釋放出來(lái)?從愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程同樣可以得出,物體的能量變化ΔE與物

9、體的質(zhì)量變化Δm的關(guān)系:ΔE=Δmc2. 4.核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量:ΔE=Δm c2 [例題]計(jì)算2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子結(jié)合成氦核時(shí)釋放的能量 已知:1個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量mp=1.007277 u,1個(gè)中子的質(zhì)量mn=1.008665 u.組成氦核的這四個(gè)核子的總質(zhì)量為4.031884 u,但氦核的質(zhì)量為4.001509 u. 這里u表示原子質(zhì)量單位,1 u=1.660566×10-27 kg. 由上述數(shù)值,可以求出氦核的質(zhì)量虧損Δm=4.031884 u-4.001509 u=0.030375 u. 在原子核物理學(xué)中,核子與核的質(zhì)量通常都是用原子質(zhì)量單位表示,而核能通常用兆

10、電子伏表示.按質(zhì)能方程可以求出1 u的質(zhì)量虧損所釋放的能量為931.5 MeV,所以,2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子結(jié)合成氦核時(shí)釋放的能量為: ΔE=Δm c2=0.030375×931.5 MeV =28.3 MeV. [練習(xí)](由學(xué)生自己完成):氘核的質(zhì)量為2.013553 u,由此計(jì)算一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子結(jié)合成氘核時(shí)釋放的核能. 解:mn=1.008665 u,mp=1.007277 u. 中子和質(zhì)子的質(zhì)量和:2.015941 u. 質(zhì)量虧損Δm=2.015941 u-2.013553 u=0.002388 u. 釋放核能ΔE=Δmc2=0.002388×931.5 MeV =2

11、.22 MeV. 注意:核能的計(jì)算中要注意單位的換算,如原子質(zhì)量單位和千克的關(guān)系,焦耳和電子伏的關(guān)系. 三、小結(jié) 原子核既可以天然衰變,也可以人工轉(zhuǎn)變,使原子核發(fā)生變化的過(guò)程叫核反應(yīng).在核反應(yīng)中存在質(zhì)量虧損同時(shí)伴隨巨大能量的釋放.這是因?yàn)樽匀唤缰形矬w的質(zhì)量和能量間存在著一定關(guān)系:E=mc2,可見(jiàn)物質(zhì)世界貯藏著巨大能量.問(wèn)題是,如何使貯藏的能量釋放出來(lái).人類以前利用的是燃料燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能.在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí),是原子外層電子的得失.這種情況下,人類獲取的能量可以說(shuō)屬于原子的“皮能”.在核反應(yīng)時(shí),可以產(chǎn)生較大一些的質(zhì)量虧損,從而使人類獲得了大得多的能量.這里的變化,屬于原子核的變化,相應(yīng)的

12、能量稱作原子核能.由前述二例可以看出,核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損仍然是十分有限的.換句話說(shuō),即物體貯藏的能量是巨大的.迄今為止,人類所利用的能量還只是很小的一部分.如果,人類在探索中,能掌握新的方式,以產(chǎn)生更大的質(zhì)量虧損,也就必然能夠獲得更為可觀的能量. 四、布置作業(yè) 練習(xí)三2、3、4 五、板書(shū)設(shè)計(jì) (一)核反應(yīng) 1.定義:原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過(guò)程,稱為核反應(yīng). 2.原子核的人工轉(zhuǎn)變——用人工方法使原子核發(fā)生變化的過(guò)程. (1)盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)(1919年) 147N+42He→178O+11H(質(zhì)子) (2)查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)(1932年) 94B

13、e+42He→126C+10n(中子) 3.核反應(yīng)遵循的規(guī)律:質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都守恒. 4.核反應(yīng)的特點(diǎn):質(zhì)量虧損——核反應(yīng)前后原子核的質(zhì)量之差(用Δm表示) (二)核能 1.什么是核能?與核反應(yīng)相聯(lián)系的一種能量. 2.核能的特點(diǎn): (1)與原子核的變化相聯(lián)系,只有在核反應(yīng)中才能體現(xiàn)出來(lái). (2)核能是非常巨大的,屬于非常規(guī)能源. 3.愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程 E=mc2式中 c為真空中的光速 4.核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量:ΔE=Δm c2 六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計(jì) 1.在下列4個(gè)核反應(yīng)式中,x表示中子的是哪些 A.147N+42He→178O+x B.2713Al+42

14、He→3015P+x C.21H+31H→42He+x D.23592U+x→9038Sr+13654Xe+1010n 2.用中子轟擊鋁27,產(chǎn)生鈉24和X;鈉24具有放射性,它衰變后變成鎂24,則這里的X和鈉的衰變分別是 A.質(zhì)子、α衰變 B.電子、α衰變 C.α粒子、β衰變 D.正電子、β衰變 3.下面說(shuō)法正確的是 A.α粒子轟擊氮核,發(fā)現(xiàn)了中子 B.α粒子轟擊鈹核,產(chǎn)生了高能質(zhì)子,再轟擊石蠟,釋放出中子 C.用α粒子轟擊鈹核,釋放出的是中子 D.中子是首先由查德威克于1919年命名的 4.目前能夠在實(shí)際上作為巨大能源的原子核能是 A.重核裂變時(shí)放出的能量 B

15、.輕核聚變時(shí)放出的能量 C.熱核反應(yīng)時(shí)放出的能量 D.放射性元素放出的射線能量 5.靜止的氡核22286Rn放出α粒子后變成釙核21884PO,α粒子動(dòng)能為Eα,若衰變放出的能量全部變?yōu)榉礇_核和α粒子的動(dòng)能,真空中的光速為c,則該反應(yīng)中質(zhì)量虧損為 A.· B.0 C.· D.· 6.能釋放原子能的核反應(yīng)是 A.重核分裂成中等質(zhì)量的核 B.核子結(jié)合成原子核 C.反應(yīng)前的總質(zhì)量大于反應(yīng)后的總質(zhì)量 D.原子核分解成核子 7.完成下列核反應(yīng)方程 A.105B+42He→137N+________ B.2713Al+________→2712Mg+11H; C.94Be+________→126C+10n D.147N+42He→178O+________. 8.23892U衰變成23492Th,把靜止的23892U放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,衰變后Th 核的速度方向與磁場(chǎng)方向垂直.生成的粒子動(dòng)能為ΔE, (1)寫出衰變方程. (2)衰變后Th核的軌道半徑與粒子的軌道半徑之比為多少? (3)衰變過(guò)程中放出的能量多大? 參考答案:1.BCD 2.C 3.C 4.A 5.C 6.ABC 7.略 8、(1)23892U→23490Th+42He(2)1∶45(3)119ΔE/117

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