四、裂变和聚变教学教案设计

选修1-2第三章第四节 裂变和聚变

宜城市第二高级中学

陈金华

教学目标：1.知道核裂变和核聚变反应

2.知道核裂变链式反应的发生条件

3.知道原子弹原理，核电站工作模式

4.重核的裂变和轻核的聚变的反应方程式

5.关注受控聚变反应研究的进展。

教学重难点:

重核的裂变和轻核的聚变

教学难点:

链式反应的条件，核反应堆

学生分析

对于课本，在上一节，同学们已经知道了，每种核子的比结合能是不相同的。爱因斯坦的质能方程的提出，定量的解决了质量和能量的关系。中等大小的核比结合能最大，较大的核裂变为中等大小的核，以及较小的核合并为中等大小的核，都会发生质量亏损，释放能量。

从生活中，学生们知道中国自己研究出原子弹和氢弹，美国在日本侵华期间对日本本土投放了原子弹，我国的“两弹元勋”核武器专家邓稼先的杰出贡献，广州大亚湾核电站的建成和投入等等，提前做好了铺垫，为后面的学习打好了基础。

教学内容分析

地球上的传统资源能够利用的时间有限，对待新能源的开发和利用迫不及待。核能效率高，是一大重要的新能源。核能主要有裂变释放能量和聚变释放能量。这一节只讨论两种能量的产生方式及其应用。教材按照重核裂变，链式反应，核反应堆（可控链式反应），核电站这条主线展开裂变释放能量。聚变是另外一种重要的核能，人类对聚变的研究没有裂变深，目前，仅仅在核武器中有一定的应用，为人类服务为时尚远。

教学媒体与资源的选择和应用

课本上阅读材料，相关图片，短视频，和多媒体课件

教学实施过程

引入：

【播放视频】1945年日本广岛被投放原子弹的场景，以及爆炸之后的城市面貌。

问题一

教师问：同学们有什么感受？

学生回答：很震撼！原子弹的威力如此巨大，运用的好为人类服务。运用的不好，将会是人类的灾难。

【教师讲述】

整个人类的发展史，可以说也是人类对能源的探索历史。

问题二

教师问：同学们能不能结合你自己的经验谈一谈人类先后使用过那些能源？

学生回答：在远古时代，人类主要把树木当做能源，随着生产力的进步，接着把煤炭当做能源，到了现代，还可以把水能，风能，太阳能，以及核能当做能源

【教师讲述】

非常好，能源的方式多种多样，煤炭石油总有用尽的一天，那时候我们可以用什么呢？刚才这位同学提到有太阳能。

问题三

教师问：有没有同学可以谈一谈对太阳能的感受

学生回答：太阳一直存在，太阳从古到今一直在给地球提供热能，没有太阳，就不可能有地球，树木和人类。太阳每时每刻都在释放能量。

【教师讲述】

是的，太阳的能量是时时刻刻都在提供的，取之不尽，用之不竭。我们大量使用的太阳能能热水器就是一个很好的例子。既清洁又方便。科学家们还开发出太阳能灯和太阳能发电，以及太阳能汽车。那么太阳的能量怎么形成的呢，为什么从古到今它一直在释放能量呢？通过今天的学习我们就会破解这个秘密。

刚才同学们还提到核能。它就是我们刚才视频上的内容。它的能量也很巨大，把核能应用到我们的生活里面，给我们提供能源，也是一条解决人来能源问题的重要途径。怎么样才能获得核能呢？我们首先来复习一下上节课的内容。

复习

1.原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要使它们分开，同样需要能量，这就是原子核的结合能.

2．形成原子核的核子越多，它需要的结合能就越高。因此，它的结合能与核子数之比才有意义，称作比结合能。

3．爱因斯坦指出了物体的能量与它的质量之间的关系即E=mc2.

4．比结合能对于不同的原子核是不一样。从图线上可以看出：中等大小的核的比结合能最大，这些核最稳定。较重的核和较小的核比结合能较小。我们可以想象只要发生质量亏损就可以释放能量，有哪些方式可以进行呢？

①较重的核分裂成中等大小的核时。②较小的核合并成中等大小的核。

核子的比结合能都会增加，产生质量亏损，释放能量会释放出能量。那实际是怎么发生的呢。通过今天的学习，就可以解开这个疑惑了。

【板书

1 】

裂变和聚变

【播放视频】视频内容：中子攻击铀核生成两个体积差不多的新核，同时释放出三个中子。

【教师讲述】

在刚才的视频中，同学们看到的红色小球是一个中子，它主动撞击的大核是一个铀核，撞击后分裂成两个差不多大的新的中等大小的核，同时产生两个中子。这是1938年，德国物理学家哈恩和特拉斯曼用中子打击铀核的实验。这个实现现象和生物学细胞分裂的情景类似，就把这类核反应命名为核裂变

【板书

2 】

核裂变

一个重核分裂为两个中等大小的核

【教师讲述】

铀核裂变产生的产物多种多样，有一种最典型，生成钡和氪，同时释放3个中子。

【板书

3 】

【播放视频】视频内容：链式反应

【教师讲述】

裂变放出的中子数目不同，中子的速度也快慢有别。铀235核裂变时产生2到3各中子。单个原子核的体积非常小，内部空隙较大，如果铀块太小，中子在通过时，就有可能碰不到铀核直接飞出去。当铀块足够大时，中子就有足够的概率打中某个铀核，引起新的裂变，使核裂变反应不断进行下去。这种由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。能够发生链式反应的最小体积叫做临界体积，相应的质量叫做临界质量。

【板书

4】

链式反应

临界体积（临界质量）

【课堂实验】用一个火柴的燃烧代表一个铀核分裂的能量。用一堆排列整齐的火柴代表铀核的链式反应。给同学们直观的感受。

【教师讲述】一个铀235核裂变时释放的能量如果按200Mev估算，1Kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800吨标准煤燃烧时释放的化学能。这么巨大的能量如果全部能供给人类使用，人类再也不用担心能源危机了。

【图片展示】原子弹的结构图和反应堆的结构图

原子弹和“慢中子”反应堆就是根据这个原理知道的。首先来看原子弹。分为“内爆式”和“枪式”两种。“内爆式”原子弹，核燃料做成球形，体积小于临界体积。当外部的化学炸药爆炸时，产生的冲击波将燃料压缩至高密度的超临界状态，聚心波同时压缩中子源，释放中子，引起链式反应。四周用铀238做成种子反射层，是逸出燃料区的部分中子返回。

“枪式”原子弹的弹壳内分开放置一块球形和一块圆柱形高浓度铀235，每一块的体积都小于临界体积而大于临界体积的一半，平时是安全的。当普通炸药爆炸时，两块铀被压成一个整块，体积超过临界体积，立刻发生链式核反应爆炸。

【教师讲述】接下来研究核反应堆

【板书

5】核反应堆是核电站的核心设施

【播放视频】视频内容：核电站原理

【教师讲述】核反应堆的类型很多，慢中子核反应堆中，核反应主要是铀235吸收慢中子后23592U+n→Ba+Kr+3n1014456893610

发生的裂变。铀235具有易俘获慢中子，而不易俘获快中子的特点，故要有减速剂，常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水（有时叫轻水）。为了控制中子数目以控制反应的速度，还必须在铀棒之间插入一些镉棒。镉吸收中子的能力很强，反应过于激烈的时候，将镉棒插入的深一些，让它多吸收一些中子，链式反应速度就会慢一些。这种镉棒也叫控制棒。

核燃料裂变释放的能领，被水或者液态的金属钠等流体传输出去，水变为蒸汽推动汽轮发电机发电。核发电量占总发电比例最多的10个国家是：法国

75%立陶宛

73.1%比利时

57.7% 保加利亚

47.1%斯洛伐克

47%瑞典

46.8%乌克兰

43.8%韩国

42.8%匈牙利

38.3% 亚美尼亚

36.4%，世界核能发电占全部电量1/4 。

【播放视频】视频内容：较小的轻核碰撞结合成较大的核

【教师讲述】某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，这种核反应叫做聚变。

【板书

6】核聚变

【教师讲述】在消耗相同质量的核燃料时，聚变比裂变能释放更多的能量。一个氘核和一个氚核结合成一个氦核时，释放17.6MeV的能量平均每个核放出的能量在3MeV以上。核反应方程是：

2【板书

7】1341H+1H→2He+0n+17.6Mev

-15【教师讲述】要使轻核发生聚变，必须使原子核间的距离达到10m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使他们接近到这种成都，必须克服巨大的库伦斥力。换句话说，原子核需要获得足够大的动能能才能“撞”在一起。实现的方法有:1 用加速器加速原子核；89这种方式成本太高，实际利用的时候不够经济。２

把原子核加热到10～10K的高温；所以聚变反应又叫热核反应。

【板书

8】热核反应

【播放视频】动画模拟的太阳内部核聚变的的视频

【教师讲述】太阳内部和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应。太阳每秒辐射出的能量26约为3.48*10焦耳，相当于一千亿吨煤燃烧释放出的能量，其中20亿分之一的能量被地球接受。核聚变普遍存在于宇宙中太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量，太阳这个天然的的核聚变过程已经发生了五十亿年，还能维持几十亿年。

氢弹就是根据热核反应的原理制成的。可控热核反应将为人类提供巨大的能源,和平利用聚变产生的核量是非常吸引人的重大课题，我国的可控核聚变装置“中国环流器1号”已取得不少研究成果. 【图片展示】介绍氢弹原理图

氢弹爆炸的效果图

【教师讲述】核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。1.轻核聚变产能效率高，相同质量的核燃料，聚变释放的能量比裂变多。2.能用于热核反应的原料极其丰富，裂变的原料比较稀缺；3.轻核聚变更为安全，清洁。实现聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，发营救自发停止了。另外热核反应后的遗留物对环境污染小，这一点裂变无法相比。

虽然聚变有很多好处，在实际操控中，现在的技术还不能控制热核反应问题有：１。地球上没有任何容器能够经受如此高的温度；２。如何约束聚变所需的燃料。科学家提出的解决方案是是磁约束和惯性约束。

【板书

9】磁约束和惯性约束

【播放视频】磁约束的动画模拟视频

【教师讲述】磁约束的原理是：带电粒子在匀强磁场中会受到洛伦兹力不飞散，因此可能利用磁场来约束参加反应的物质。环流器就是目前性能能最好的一种磁约束装置。由于聚变的时间很短，卷边物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们聚在一起发生反应。

聚变还有很长的路要走，一旦能够稳定输出聚变能。将彻底解决能源危机。

教学评价与反思

这是一节不可能在教室做实验的课。学生不能近距离的观察和裂变和聚变。课堂上运用众所周知的美国在日本本土投放原子弹迫使日本提前投降作为引入，充分调动学生的积极性，整节课设计严密，通过设问提问，播放视频，展示图片等等有效的教学手段，使学生充分的理解核的裂变和聚变，教学效果显著。

裂变容易实现，聚变相对要求的条件苛刻。现在技术的限制，裂变已经广泛应用在生活中了，聚变仅仅只是在核武器上有所应用。聚变的材料容易提取，释放的能量更多，产物清洁污染物少，具有远大的发展前景。我国在这方面积极投入，1984年启动中国环流器1号，取得不少的研究成果，至今仍然继续工作。未来需要同学们继续努力，使聚变能更容易地为我们所用，为我国的新能源建设贡献自己的力量。