四、裂变和聚变教案教学设计导入设计

原子结构之谜《裂变和聚变》

一、导入

师：上课

生齐答：老师好

师：同学们好！请坐。

师：上一节课，我们学习了原子核是很小，但是为什么原子核不会分散而结合在一起呢？

生：是因为原子核中的核子之间具有强大的核力作用。

师：我们又知道：把原子核拆成一个一个的核子的话，原子核需要吸收能量。把核子结合成原子核的话，会释放出能量。那么这个能量怎么来计算呢？

生：利用爱因斯坦质能方程：

。

师：好！由爱因斯坦的质能方程得到，核反应吸收能量的话，原子核的质量会增大还是减少？若核反映是释放出能量呢？

生：核反应吸收能量的话，原子核的质量会增大；相反会减少。

师：结合能是一个原子物理里面一个重要的物理量，平均结合能是表述原子核的核子之间的紧密程度，回顾一下，什么是平均结合能？

生：平均结合能是原子的结合能与质量数的比值。

师：很好！例如：把

拆散成238个核子需要的能量是结合能。而这个结合能除以238就是

的平均结合能。其实原子的结合能是一个很重要的能量，氢弹、原子弹爆炸的巨大能量就来源于结合能。

学生观看视频。

师：大家看到的是1967年我国第一颗氢弹爆炸成功的画面，上一节课，我们已经看了我们第一颗原子弹爆炸的画面，大家还记得是哪一年发生的事吗？

生：1964年。

师：

很好！我们在制造原子弹到氢弹的过程中，只用了2年零7个月，而其他的发达国家都比我们多。我们为此感到自豪。所以我们要努力学习，将来也为国家做出自己应有的贡献。氢弹和原子弹释放的巨大能量的来源，如何制造？是这一节课我们学习的内容。

此处录像8分48秒

二：新课讲解

师：把原子拆成一个一个的原子，原子核需要吸收一定的能量。而我们又知道了，可以用平均结合能来表述原子中的核子的紧密程度。下面，我们来看这样的一个图：横轴表示质量数，纵轴表示平均结合能。我们发现平均结合能在铁处有最大的结合能，意味着铁原子的原子核是最紧密的。如图，若将原子核D和原子核E结合成一个原子核F，或者由一个原子核A分裂成原子核B和原子核C都会有能量的变化。而且我们知道，原子质量数比较大的，我们把它叫做重核，原子质量数比较小的，我们把它叫做轻核，所以，我们得出定义：

核裂变：两个比铁轻的核聚合成一个较重的核时，会释放出能量来，这种核反应，我们把它叫做聚变反应。

核裂变：比铁重的一个核分裂成两个较轻的核时，也会释放出能量，我们把这种核反应叫做核裂变。

思考：原子核的裂变和聚变都会释放出能量，为什么？

生1：结合能不一样。

生2：因为有质量亏损。

师：平均结合能，表示原子核结合的紧密程度，原子的平均结合能越大，原子核结合得越紧密；原子的平均结合能越小，原子核结合得越松弛。

原子核有最大的平均结合能，所

以，两个比铁轻的核聚合成一个较重的核时，会释放出能量来，同样，比铁重的一个核分裂成两个较轻的核时，也会释放出能量。这主要由平均结合能决定。例如，我们的原子弹就是利用原子核的裂变在瞬间释放出巨大能量的过程；氢弹是利用原子核的聚变释放出巨大能量的过程。

师：同学们是不是觉得好象有矛盾呢？

生：是。

师：其实在这里的裂变和聚变是有一定的条件的。同学们从图中发现了什么问题了吗？

生：聚变是由两个比铁轻的原子核巨变而成，而裂变是由两个比铁重的一个原子核裂变而成。从图中，发现不管是轻核巨变还是重核裂变，都是由平均结合能小的原子核变成平均结合能大的原子核

师：很好！所以，我们得到轻核聚变和重核裂变其实是一定都不矛盾的。

生：哦。

师：下面。我们利用平均结合能来计算原子核反映所释放的能量。请看书本82页第2题。

生：（认真计算并得出答案127.68MeV）。

师：因为平均结合能表示原子核的核子之间的紧密程度。也可以这样来理解：从原子核中抽出一个核子所需要的能量。此题目中

的平均结合能是

7.98MeV，表示从

中分开一个核子需要7.98MeV的能量，而

有16个核子，所以，需要的能量是：

师：通过这个例题，我们发现，把8个质子和8个中子结合成

所释放的能量是127.68MeV，意思也就是由核子结合成紧密的原子核会释放出能量，同样，我们可以再回头来理解轻核聚变和重核裂变为什么都是释放能量的过程。

生：平均结合能小的生成平均结合能大的原子，都会释放能量。

师：下面我们拿一个最常见的一个裂变方程来解释。

从这个核反应方程，我们发现了什么问题？

生1：质量数和电荷数都守恒。

师：这是核反应方程的特征。很好！

生2：该方程式的右边有3个中子。该核反应方程发生时，会放出3个中子。

师：很好！该方程的发生，必须要有中子与原子核发生相互作用。我们已经知道了，没有中子撞击原子核的话，铀核照样会发生核反应，那样铀核自发产生的与此方程相同吗？

生齐答：不相同。铀核自发产生的是核的衰变，这里是人工核反应。

师：好！

师：通过这个方程，我们发现了，铀是一种比较重的核，分裂成两个相对比较轻的核，这就是典型的原子核裂变。同时，我们发现了，要使铀发生裂变，需要有偶一定的条件？那是什么条件呢？

生齐答：中子。

师：正确。下面，我们继续对这个方程进行研究。一个铀核裂变之后放出2到3个中子，而这些中子又会引起其他的铀核的裂变，同时放出中子，大家想象以下，要是不断地进行下去的话，会是一副怎样的画面呢？

生：越来越多的铀核发生裂变，核反应越来越激烈。

师：这种反应我们物理学生也叫做链式反应。

师：其实一个铀核发生裂变释放出来的能量是很小的，与我们生活中用的能量相比是微不足道的。但是链式反应会是越来越多的原子核发生核裂变，此时释放的能量就会是巨大的。只要有一个中子使铀核发生裂变，那么链式反映就会继续下去，源源不断地向外释放出能量来。例如，1kg的铀释放出来的能两相当于2000t优质煤所释放的能量。

师：所以，铀是一种很好的能源的燃料。但是，要使铀核裂变是有一定的条件的，同学们先自己总结一下。

生1：要有中子。

师：好！要使铀核裂变的话，需要中子与铀核发生相互作用。还有其他的吗？

生2：这是人工产生的反应。

师：其实，我们也知道，铀是元素周期表里面的第92号元素，它是有放射性的，它也会自发地放出射线，这种反应，我们叫做核衰变。但是这里的反应必须要人工加中子，才能是反应进行。所以，大家要搞清楚两者的区别和联系。

师：我们还知道了：重核发生裂变的时候会释放出能量，那么，核衰变也会释放出能量来吗？

生3：会。

师：为什么？能说说你的依据吗？

生3：

因为核的结合能发生了变化。

师：铀核的衰变也会释放出能量。只是这个能量很小，我们人类利用起来的话就没有什么价值。大家可以思考以下：为什么呢？

生4：因为铀的半衰期是很长的，长达

年。铀核发生衰变的时候释放能量是非常缓慢的，根本就无法利用。而铀核发生链式反应放出的能量是巨大的，可以为人类所利用。

师：同学们还能想到铀核裂变还需要什么条件吗？

生5：铀核裂变需要达到一定的体积，就是所谓的临界体积。

师：非常好！铀能够发生裂变反映，是需要一定的体积，这个体积就是临界体积。是因为铀的体积太小的话，中子还没有碰到铀核就已经跑到铀核外面去了，无法引起链式反应。这是因为铀是由铀原子组成的，而由里面有一个原子核，铀原子核是很小的，原子内部大部分都是空的，所以要使中子能打到铀核发生链式反应，铀核的体积必须要有一定的体积。其实铀的临界体积大概是半径为4.8cm的球，质量大概是1kg。

师：介绍科学家“用手阻止核爆炸”的事例。

师：现在，同学们就可以知道原子弹是怎么样制造出来的了。大家说说看。

生：先做成两个比临界体积小的铀块，再利用小炸药把两个小于临界体积的铀块和在一起，就会发生链式反应，就会在瞬间放出巨大的能量。

师：很好！你现在就是一个伟大的科学家了！是不是很自豪啊！所以学习物理，其实是很简单的事情，要把物理应用在生活、国防上，就需要我们的努力的，希望大家以后都是社会有用之人、国家的栋梁之材。下面，我们来看看原子弹的外表，以及原子弹爆炸是的巨大威力。

师：原子弹装药重6.1千克，TNT当量2.2万吨，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。“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。”

观看二站时，美国投放在日本广岛和长崎上的两颗原子弹。

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，伤亡共86000人，占全市37%。

师：原子弹就是利用了重核的裂变，放出巨大的能量，其实，我们从开始上课的时候也知道了，除了重核的裂变会释放出巨大的能量之外，还有一种核反应也会释放出巨大的能量，这个就是什么呢？

生齐答：轻核聚变。

师：通过上一节的学习，我们知道原子核之所以能聚在一起，不分开，是因为原子核内部的核子之间具有强大的核力作用。那么核力具有什么样的特征呢？

生齐答：是强相互作用力，作用范围是在

数量级范围。

师：是的。在本节课开始的时候我们就说了把两个比铁轻的核聚变成一个比较重的核时，会释放出能量，核裂变要进行，必须要用中子才能使其发生链式反应，那么轻核聚变又需要什么条件呢？

生：需要把原子靠拢在一起，形成原子核。

师：很好！要使原子靠近在一起，形成原子核的话，需要克服强大的库仑力作用。好，那如何才能使原子能够克服强大的库仑力作用，而使原子能够达到核力作用的范围呢？

生：增大原子核的动能。

师：如何增大？

生：加速电场加速。

师：这个方法听起来，好象不错，但是还有没能达到条件。

生：根据分子动理论，可以把原子核加热，使其具有很高的温度，就可以克服原子之间的库仑力做功，使原子距离达到原子核力作用的范围之内。

师：恩！这个方法就是现在用的方法。从理论上分析：这种方法是可以做到的。当物质达到几百万度以上的高温时，原子核的核外电子已经完全和原子脱离，这时小部分原子核就具有足够的动能，能够克服相互间的库仑力。但是，如何才能达到如此高的温度呢？

生：刚刚看原子弹爆炸时相当于制造出了一个太阳，原子弹爆炸的中心温度是很高的，可以达到这样的要求。

师：很好！理论上，要达到几百万度以上的高温时，可以先拿一个小当量的原子弹，使其发生爆炸。就可以把两个原子核的距离接近到核力作用的范围，就可以达到我们所需要的目的了。

生：哦！

师：要是能把原子核发生聚变的话，反应过程中就会放出能量，就具有很高的问题，此时就不需要在用原子弹的爆炸了，靠自己的温度就可以维持核聚变。这种反应，在物理学上也叫做热核反应。

热核反应需要达到一定的条件，看似很难达到，自然界中好象没有这样的现象，其实在宇宙中热核反应是常见的现象，在太阳内部和许多恒星内部，温度都高达1千万摄氏度以上，在那里热核反应都剧烈地进行着。太阳每年向地球辐射的能量都来源于太阳内部的热核反应。大家想想：核聚变会释放出如此巨大的能量，它能用来做什么？

生1：制造氢弹。

师：是的！与原子弹相同，利用核聚变也可以制造出一种威力很大的武器——氢弹。它的威力比原子弹的威力要大3到4倍。

生2：可以为人类所用，用核聚变做一个核电站，使其发电。

师：这个设想很好！其实现在就有核电站，就已经在利用核能，只是利用的核能是核裂变释放的能量。请大家观看氢弹爆炸的图片。现在人类只能利用核聚变来做氢弹，还无法使聚变的能量应用于发电。如果要使巨大的热核反应能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工的控制下逐渐地释放出来并加以利用（例如发电），这称为受控热核反应。现在这个技术还在研究当中。对于这个热核反应，现在在法国有一个研究的中心，正在研究受控热核反应。我们相信在不久的将来，受控热核反应就会实现，那到时候世界上就没有所谓的能源危机的。大家知道为什么吗？

生1：核聚变放出非常巨大的能量，比重核裂变的能量还要大！

生2：因为轻核聚变的原料是氘核和氚，它们来源于海水！

师：是的！我们知道海水是取之不尽，用之不竭的！那到时候的能量就可以做到取之不尽，用之不竭了，人类就不会再有能源危机的担忧了！

师：这就是本节课我们学习的全部内容，下面让我们来看看我们掌握了多少？请看PPT屏幕。第1题：太阳辐射能量主要来自太阳内部的

A.化学反应

B.放射性衰变

C.裂变反应

D.聚变反应

生齐答：选D。

师：正确。太阳辐射的能量来源于太阳内部的核聚变，因为太阳内部的温度相当高，达到了核聚变的条件，并且太阳主要是有轻核组成的。而化学反应、放射性衰变放出的能量是很小的，不能满足要求。下面继续看第2题。

生齐答：ABC。

师：好的！下面我们请同学来解答一下！分享一下他的看法。

生1：A是正确的。因为

和

是轻核，聚合成一个较重的核

，是聚变反应。

师：好的！请坐！说得很好！

生2：

是一个重核，裂变成两个较轻的核，是一个裂变反应。所以，B是正确的。

师：正确！请坐。

生3：C是

衰变。D是

衰变。所以C对，D错！

师：请坐。综合以上三位同学的意见，答案是ABC。最后，我们来计算以下某些恒星内部的核聚变所释放的能量，请看题目。

生：（认真计算，并得到结果

。）

师：通过这三个题目的计算，大家对本节课应该有了更加深刻的认识，下面的时间，我们来一起总结一下本节课的主要内容。

三、小结

师：通过这一节课的学习，我们对原子物理又有了深入的了解与认识，以下我们请同学来对本节课作最后的总结，每个同学说一点，你把你知道说出来，给大家分享一下，说错了也不要紧，只要能在其中学到东西就可以了！

生1：核裂变：由较重的核裂变成较轻的核，放出能量的核反应。

师：好！请坐！

生2：核聚变：由较轻的核巨变成较重的核，放出能量的核反应。

师：好。请坐。

生3：原子弹是由铀核裂变的原理制造而成的。

师：好！核裂变也叫做链式反应，反映中需要加中子，而且铀块的体积要大于临界体积，它是认为产生的核反应。

生4：氢弹是利用核聚变的原理制造而成的。

师：哈哈！是的！核聚变和核裂变都会释放出能量，利用核聚变释放的巨大能量就可以制造成氢弹。

师：核裂变的反应产生需要一定的条件：加中子的作用。那么核聚变需要怎么的外加条件呢？

生4：需要把原子核加热到几百万度的高温，使原子核的作用范围接近核力的作用范围，要达到这样的条件，可以利用原子弹爆炸时产生的高温。

师：还有同学学到其他的吗？

生5：核聚变就是热核反应，要是使聚变的能量在认为控制的条件下把能量释放出来的话，这样的反映叫做受控热核反应。

师：重核裂变与轻核聚变，都有能量释放出来。两者有共同的地方：都释放出能量，都需要外加条件。两者也有不一样的地方：重核裂变加的是中子；轻核聚变，外加的条件是：高温，需要利用原子弹爆炸时的高温。而且现在人类能和平利用的核能是重核裂变，轻核聚变的和平利用还在研究当中。

师：通过本节课的学习，你学到了以上的内容了吗？还有不清楚的地方，我们下一节课继续研究。下课！