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2019-2020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?yàn)橐欢ǖ馁|(zhì)量和一定的能量相對應(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(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)量虧損的概念計(jì)算核反應(yīng)中釋放的核能. 三、德育目標(biāo) 認(rèn)識(shí)開發(fā)和利用核能對解決人類能源危機(jī)的重要意義. ●教學(xué)重點(diǎn) 核能的概念.愛因斯坦的質(zhì)能方程. ●教學(xué)難點(diǎn) 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(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ΔE＝mc2 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(shí)安排 1課時(shí) ●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(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，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+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)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. 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(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. （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(gè)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 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91016 J，這一能量相當(dāng)于一個(gè)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ΔE與物體的質(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=1.66056610-27 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＝0.030375931.5 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=0.002388931.5 MeV =2.22 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(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(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+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） 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. （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 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+42He→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.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)磁場中，衰變后Th 核的速度方向與磁場方向垂直.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