5.4 核裂变与核聚变 〖教材分析〗 前面已经学习了关于原子核方面的知识，已经有了一定的基础。本节内容 由核裂变、核聚变以及核能的利用三部分组成。利用核能除了裂变，还可以利 用聚变与热核反应，认识核能的和平利用能为人类造福。在核裂变的三分裂和 四分裂以及原子弹和氢弹的研制方面，可以介绍我国在这方面的成就，对学进 行爱国主义教育。 〖教学目标与核心素养〗 物理观念∶知道核聚变与和裂变的不同，通过核反应方程能计算所释放的能 量。 科学思维∶能够分清楚裂变和聚变的含义，知道当前核聚变是不受控制的。 科学探究：通过核裂变的示意图推理出三分裂和四分裂的概念，了解物理 学常用的方法一—推理法。 科学态度与责任∶通过观看我国原子弹氢弹的爆炸视频，激发学生献身国防 的爱国主义热情。 〖教学重难点〗 教学重点：核裂变、核聚变。 教学难点：核裂变。 〖 教学准备 〗 多媒体课件等。 〖 教学过程 〗 一、新课引入 较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合 并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能 量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中， 核能是怎样被转化和使用的呢? 20 世纪 30 年代，物理学家的一个重大发现改变了人类历史。原子核在"分 裂或聚合"时，会释放出惊人的能量。 二、新课教学 （一）核裂变的发现 1.裂变的概念 奥地利物理学家迈特纳和弗里施进一步研究了这个过程，发现 铀核被中子轰击后会复合成一种不稳定的同位素，形状也从原来的 球型被拉长成这样。核子间距离远了，核力迅速减小，不足以克服库仑斥力使 原子核恢复原来的形状，所以最后原子核会分裂成两块质量差不多的碎块，同 时放出中子。弗里施觉得这个过程和细胞分裂挺像的，所以把这类核反应定名 为核裂变。即 重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应的过程，叫做核裂变。 235 92 89 1 U 01n 144 56 Ba  36 Kr 30 n 裂变的生成物是多种多样。比如会裂为先和斯，也可能会裂变为钡和氪， 同时放出一些中子。在这个过程中原子的质量数以及核电荷数是守恒的。 2.链式反应 以中子轰击铀 235 核的反应为例，过程 中会再释放出三个中子。 问题：如果这三个中子再意外撞击了其 它铀核，是不是又会引发新的核裂变？ 这些中子能与其他铀核继续反应，而且反应中新产生的中子还能继续撞击 其他铀核，让反应不断的持续下去。显然这样会产生越来越多的中子，裂变反 应了的整体强度不断增大。即 把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， 称为核裂变的链式反应。 播放视频：模拟链式反应。 另外刚才这两种裂变都生成两个中等质量的 核，所以称为二分裂。相应的还会有三分裂和四分裂的现象，不过概率很低分。 1 1 我国科学家钱三强夫妇与 1947 年就测定了概率分时是 300 和 5000 。 问题：按照链式反应原理，铀加中子就会有链式反应呢？ 链式反应的维持需要有一定的条件，那就是每一次裂变产生的中子，至少 平均有一个能引发新的裂变，否则整个反应就会越来越弱，直到无法进行。 3.链式反应的条件 ① 保证铀 235 的纯度 因为在反应过程中释放出的中子可能有一部 分在杂质吸收，这就会导致反应无法维持下去， 因此在那减少裂变物质中的杂质。对于天然的铀矿，使用前要先进行提纯。 ② 铀块的大小 因为每一个原子所在的空间内，原子核只占很 小的体积。所以裂变产生的中子，很可能碰不到其 他铀核直接飞出铀块，那就白瞎了。因此要保证铀 块体积足够大，这样这些中子有足够的概率打中其他铀核，从而让链式反应持 续下去。（动图展示） 通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积称为临界体积，把相应的 质量称为临界质量。 4.核裂变的标准煤 铀核裂变时如果生成物不同，释放 的能量也有差异。一个铀 235 核裂变时 释放的能量如果 200MeV 估算，1kg 铀 235 全部发生核裂变时放出的能量就相当 于 2800t 标准煤完全燃烧时释放的化学能。 拓展学习：原子弹 视频播放我国第一颗原子弹爆炸。 学习了链式反应，如果让这个反应在人工控制下进行，那释放出的能量就 可以被利用。为此人们建立了核反应堆，也就是人工控制链式反应的装置。 （二）反应堆与核电站 1.核反应堆 ① 铀棒：浓缩铀作为燃料棒，铀棒越多，反应的 速 率就越快。 ② 镉棒：吸收中子，控制反应速率 ③ 慢化剂：使中子变为慢中子，易吸收（石墨，重水和轻水） ④ 水泥防护层：防止辐射 问题：核反应堆怎么用它发电？ 2.核电站 看这个图，核反应堆释放的能量使反 应池温度升高，那第一回路中那水温度也 升高，然后利用这个热交换器把热量传给 第二回路中的水，是它们变成高温高压的蒸汽，带动汽轮机运转，从而让发电 机发电。 （三）核聚变 1.核聚变的概念 对比的裂变可以看作是一个重核裂变成两个质量中等的原子核，同时放出 能量。 235 92 89 1 U 01n 144 56 Ba  36 Kr 30 n  200 MeV 相反的，如果是 两个轻核结合成一个质量较大的核，这种核反应咱称为核聚变。 举个例子，一个氘核与一个氚核聚变 ， 会生成一个氦核与一个中子。这个过程也 会释放能量。 2 1 H 13H  24 He01n  17.6 MeV 问题：两种核反应谁放出的能量多呢？ 核聚变平均每个核子放出了 E平均  17.6 3.52 MeV 。而裂变的只有 0 5 E平均  200 0.85 MeV ，所以是核聚变释放的能量更多。即 236 ① 轻核聚变产能效率高 ② 燃料氘和氚储量丰富 核聚变的材料更好找，更丰富，因为一升海水中就有大约 0.03g 的氘，如 果让他们发生聚变，放出的能量就相当于燃烧 300 升汽油，而海水的面积占了 地球表面的 2/3 以上，核聚变的材料几乎是取之不尽用之不竭的。 ③ 无废料，更安全、清洁 因为产物都是稳定的氦和没有放射性，也不污染环境，相比于核裂变产生 的核废料，简直不能更安全啦，所以说核聚变是一种解决能源问题的理想途径。 问题：既然优点这么多，为什么很少听说核聚变在生活中的应用呢？ 2.核聚变的条件 核聚变应用的难度确实有点儿大，首先让氘核 与氚核这样的轻核发生聚变，必须让他们核子间的 距离接近 10-15m。这样核力才能起作用，但这个过程需要克服核子间距大的库 伦斥力，难度很大。必须保证原子核有很大的动能才行。 办法：加热到几百万卡尔文 温度越高分子的平均动能越大，只有加热到几百万摄氏度，才能让他们有 足够的动能发生聚变，因此核聚变的反应又叫热核反应。热核反应一旦发生， 就不再要外界给它能量，靠自身产生的热就会反应继续下去。 3.核聚变的例子 ① 太阳的能量来自热核反应 ② 用于制造氢弹（视频播放我国第一颗氢弹爆 炸） 4.可控核聚变的方案 无论是氢弹还是太阳内的热核反应，都是不可控呢。因为他们的温度太高 了，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。这构成了实现可控核聚变的 主要困难。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。 课堂练习 例 1：下列说法中正确的是（ ） A. 原子弹是利用核聚变反应 B. 氢弹是利用核裂变反应 C. 铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核 D. 为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀 235 解析：原子弹是利用核裂变反应，氢弹是利用核聚变反应，铀核受到中子 的轰击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样啊，具有极大的偶然性，但裂变 成两块的情况多。铀中有杂质会吸收中子，使得裂变无法进行。故选 D。 例 2：利用重核裂变释放核能时选用铀 235，主要因为（ ） A. 它比较容易发生链式反应 B. 能自动裂变，与体积无关 C. 铀核比较容易分裂成为三部分或四部分，因而放出更多的核能 D. 铀 235 价格比较便宜，而且它裂变时放出的核能比其他重核裂变时放出 的核能要多 解析：铀 235 俘获任何能量的中子都会发生裂变反应，吸收低能量的中子裂 变的几率更大，故选 A。 例 3：镉棒在核反应堆中所起的作用是（ ） A. 使快中子变成慢中子 B. 使慢中子变成快中子 C. 使反应速度加快 D. 控制反应速度，调节反应速度的快慢 解析∶在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用.镉棒又叫控制棒，起 吸收中子、控制反应速度、调节功率大小的作用，故选项 D 正确。 例 4：太阳不断地向外辐射能量，仍保持 1 千万度以上的高温，其主要原 因是太阳内部进行着剧烈地（ ） A. 衰变反应 B. 人工核反应 C. 裂变反应 D. 热核反应 解析：太阳的内部时刻都在进行着氢核的聚变，即热核反应。故选 D。 〖 板书设计 〗 5.4 核裂变与核聚变 一、核裂变的发现 1. 裂变；重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应的过程 2. 链式反应：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 3. 链式反应的条件：铀的纯度和铀块大小 二、反应堆与核电站 三、核聚变 1.核聚变：两个轻核结合成一个质量较大的核 2.核聚变的条件：加热到几百万卡尔文（热核反应） 3.核聚变的例子：太阳、氢弹 〖 教学反思 〗 通过本堂课的学习，主要让学生知道核裂变与核聚变的概念，了解核能在 当今社会生产生活中的应用。另外本节内容比较抽象，教师注意引导，采取形 象化的比喻来给学生总结、归纳，加强对知识的理解。另外播放我国在原子弹 和氢弹的研制上的记录视频，提升学生的爱国情怀和民族自信心。