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)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，進而說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相對應(yīng)”的觀點，還應(yīng)讓學(xué)生注意，原子核在變化時，其變化前后的總質(zhì)量是不同的，這種質(zhì)量差異對應(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，因為一定的質(zhì)量和一定的能量相對應(yīng).另外，核能的計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，本教材沒有采用以往學(xué)生較難理解的“結(jié)合能”的概念來講解這部分內(nèi)容，而是利用質(zhì)量虧損的概念引入“核子平均質(zhì)量”來講解這部分內(nèi)容.課本插圖中的曲線實質(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)目標一、知識目標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、能力目標會根據(jù)質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的概念計算核反應(yīng)中釋放的核能.三、德育目標認識開發(fā)和利用核能對解決人類能源危機的重要意義.教學(xué)重點核能的概念.愛因斯坦的質(zhì)能方程.教學(xué)難點質(zhì)量虧損及愛因斯坦的質(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)中的輻射引入核能的概念，再從核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損引出愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系，最后說明在核反應(yīng)中釋放能量與質(zhì)量虧損密切相關(guān)，給出公式Emc2 再通過學(xué)生的課堂練習(xí)加以鞏固.教學(xué)用具無特殊教具課時安排1課時教學(xué)過程一、引入新課教師提問放射性的本質(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)教師提問如果要人工轉(zhuǎn)變原子核，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.教師點撥原子核那么小，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.教師點撥那、粒子都可以作“炮彈”嗎？學(xué)生思考教師點撥盡管、粒子的速度很大，但它們的質(zhì)量很小，能量也較小，它們與原子核作用時一般不能引起原子核的轉(zhuǎn)變，而粒子由于質(zhì)量和能量較大，它與原子核作用時很容易使原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此通常用粒子作為“炮彈”轟擊原子核就可以使原子核實現(xiàn)人工轉(zhuǎn)變.這個過程就是一種核反應(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+42He178O+11H（質(zhì)子）（2）查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)（1932年）94Be+42He126C+10n（中子）教師點撥在上面兩個核反應(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)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，氘核雖然由一個中子和一個質(zhì)子組成，但氘核的質(zhì)量并不等于一個中子和一個質(zhì)子的質(zhì)量之和，精確計算表明：氘核的質(zhì)量比一個中子和一個質(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.4.核反應(yīng)的特點：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m表示）教師點撥我們知道，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，這種能量就是我們通常所說的化學(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：一個中子和一個質(zhì)子結(jié)合成氘核時，要放出2.2 MeV的能量，這個能量以光子的形式輻射出去.而兩個氫原子結(jié)合成氫分子釋放的化學(xué)能只不過幾個電子伏.（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：（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.（2）核能是非常巨大的.屬于非常規(guī)能源.教師點撥在核反應(yīng)中既伴隨巨大能量的釋放，又伴隨一定的質(zhì)量虧損，這說明質(zhì)量與能量之間有某種聯(lián)系，愛因斯坦的相對論回答了這個問題.3.愛因斯坦質(zhì)能方程相對論指出，物體的能量（E）和質(zhì)量（m）之間存在著密切的關(guān)系，即Emc2式中 c為真空中的光速關(guān)于質(zhì)能方程的理解：這個方程中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100萬kW的發(fā)電廠三年的發(fā)電量.對此，愛因斯坦曾說過：“把任何慣性質(zhì)量理解為能量的一種貯藏，看來要自然得多.”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？從愛因斯坦質(zhì)能方程同樣可以得出，物體的能量變化E與物體的質(zhì)量變化m的關(guān)系：E=mc2. 4.核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量：E=m c2例題計算2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成氦核時釋放的能量已知：1個質(zhì)子的質(zhì)量mp=1.007277 u，1個中子的質(zhì)量mn=1.008665 u.組成氦核的這四個核子的總質(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m=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個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成氦核時釋放的能量為：E=m c20.030375×931.5 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，由此計算一個中子和一個質(zhì)子結(jié)合成氘核時釋放的核能. 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m=2.015941 u-2.013553 u=0.002388 u. 釋放核能E=mc2=0.002388×931.5 MeV =2.22 MeV.注意：核能的計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)生變化的過程叫核反應(yīng).在核反應(yīng)中存在質(zhì)量虧損同時伴隨巨大能量的釋放.這是因為自然界中物體的質(zhì)量和能量間存在著一定關(guān)系：E=mc2，可見物質(zhì)世界貯藏著巨大能量.問題是，如何使貯藏的能量釋放出來.人類以前利用的是燃料燃燒時釋放的化學(xué)能.在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，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屬于原子的“皮能”.在核反應(yīng)時，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，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、板書設(shè)計（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)生變化的過程.（1）盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)（1919年）147N+42He178O+11H（質(zhì)子）（2）查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)（1932年）94Be+42He126C+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：質(zhì)量虧損核反應(yīng)前后原子核的質(zhì)量之差（用m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：（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.（2）核能是非常巨大的，屬于非常規(guī)能源.3.愛因斯坦質(zhì)能方程Emc2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：E=m c2六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計1.在下列4個核反應(yīng)式中,x表示中子的是哪些A.147N+42He178O+xB.2713Al+42He3015P+xC.21H+31H42He+xD.23592U+x9038Sr+13654Xe+1010n2.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、衰變B.電子、衰變C.粒子、衰變D.正電子、衰變3.下面說法正確的是A.粒子轟擊氮核,發(fā)現(xiàn)了中子B.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.目前能夠在實際上作為巨大能源的原子核能是A.重核裂變時放出的能量B.輕核聚變時放出的能量C.熱核反應(yīng)時放出的能量D.放射性元素放出的射線能量5.靜止的氡核22286Rn放出粒子后變成釙核21884PO，粒子動能為E，若衰變放出的能量全部變?yōu)榉礇_核和粒子的動能，真空中的光速為c，則該反應(yīng)中質(zhì)量虧損為A.·B.0C.·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+42He137N+_B.2713Al+_2712Mg+11H;C.94Be+_126C+10nD.147N+42He178O+_.8.23892U衰變成23492Th，把靜止的23892U放在勻強磁場中，衰變后Th 核的速度方向與磁場方向垂直.生成的粒子動能為E，（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）23892U23490Th+42He（2）145（3）119E/117