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      裂變與聚變物理教案

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      教學目標

      1.知道重核的裂變和鏈式反應.

      2.知道什么是聚變.

      3.知道核反應堆和核電站。

      4、通過介紹我國核電站的發展,對學生進行愛國主義教育。

      5、通過介紹放射性污染和防護,進行環保教育。

      6、了解聚變反應的特點,知道可控熱核反應。

      7、知道熱核反應的區別及優越性。

      8、通過介紹我國在可控熱核反應方面成就,對學生進行愛國主義教育。

      課題引入

      1、核反應有些釋放能量,有些吸收能量,人們想利用核能,當然必須選那些釋放核能的核反應。什么樣的核反應能釋放核能呢?利用天然放射性放射性元素的衰變行嗎?例如

      U238在α衰變時放出的α粒子具有4.18MeV的能量,但它的半衰期很長,達4.49億年,衰變非常緩慢,功率太小。利用人工轉變行嗎?例如

      ①可放出能量5.6MeV;

      ②可放出能量4.8MeV;

      但粒子擊中原子核的概率太低,只有百萬分之一、二。實在得不償失!有哪些核反應才真正具有實用價值呢?

      2、說明有些重核分裂成中等質量的核,有些輕核結合成中等質量的核都能發生質量虧損放出巨大能量。物理學中,把重核分裂成質量較小的核,釋放出核能的反應叫裂變,把輕核結合成質量較大的核,釋放出核能的反應叫聚變。本節(包括課本第六節、第七節)介紹裂變和聚變。

      重難點分析

      1、裂變和聚變

      精確的研究表明原子核中核子的平均質量跟原子序數的關系,如人教社教材中圖24-11所示,這個圖線是解釋那些核反應釋放能量的根據。這個圖線表達了原子核組成的重要規律。按圖線分析可知,怎樣的反應有質量虧損是釋放能量的,從而明確:裂變是重核分裂為質量較小的核,釋放核能的反應;聚變是輕核結合為質量較大的核釋放出核能的反應.

      2、鈾核的裂變

      鈾核的裂變,一般分裂為兩個中等質量的核,叫二分裂,產物是多種多樣的,一種典型的反應如下述核反應方程所示:

      (也有三分裂、四分裂現象,但出現的概率極低,約為二分裂的千分之三和萬分之三。)

      這個核反應的結果中,又釋放出2-3個中子,這些中子又會引起其他原子核的裂變,形成鏈式反應,使裂變繼續下去。當然維持鏈式反應是要有一定條件的,這個條件是,每次裂變產生的中子,至少平均有一個能再度引起裂變反應。這些中子,有的可能被雜質吸收,有可能穿出裂變物質體外,因而不能引起新的裂變發生。為維持鏈式反應要減少裂變物質中的雜質,增大裂變物質的體積。可以簡單介紹臨界體積、臨界質量的概念,純U235球形的直徑約4.8cm就達到了臨界體積,其臨界質量大約1kg左右.

      根據質能方程可以計算出上述裂變反應釋放的能量為201MeV.鈾核的每個核子平均釋放約1MeV.

      3、核電站

      利用核能發電的核心設施是核反應堆.核反應堆是用人工控制鏈式反應的裝置,教學中要重點講述用人工方法控制鏈式反應速度的原理。其構造可利用掛圖,分五部分予以介紹.

      (1)鈾棒.由濃縮鈾制成,作為核燃料

      (2)減速劑:常用的減速劑有石墨、重水等,使裂變中產生的快中子(能量在0.1-20MeV,平均約為2MeV)減速為慢中子(能量約為MeV),因為鈾235裂變需要的是慢中子,只有通過減速,才能維持鏈式反應的進行.

      (3)控制棒:用鎘制成.鎘吸收中子的能力很強,調節鎘棒插入的深度,改變吸收中子的數量,達到控制鏈式反應速度的目的.

      (5)冷卻劑,常用水,液體鈉等,在反應堆內外循環流動,把反應堆產生的熱能傳出去用以發電,同時降溫,保證安全.

      4、聚變

      聚變時平均每個核子釋放的能量是裂變時的3-4倍(可以通過質能方程計算一下:

      釋放17.6MeV平均每個核子釋放3.52MeV)

      產生輕核聚變的條件是高溫。必須使輕核具有很大的動能,才能使它們接近到10-15m發生聚變.

      熱核反應和裂變反應相比,具有許多優越性。熱核反應釋放能量比裂變反應大的多;熱核反應產生放射性物質處理起來比裂變反應產生放射性物質容易;熱核反應用的氘,儲量豐富。

      我國自行研制可控熱核反應裝置"中國環流一號"于1984年9月啟動。具有國際先進水平的可控熱核反應實驗裝置"HT-T超導托卡馬克"于1994年安裝成功,標志我國在研究可控熱核反應方面具有一定的實力。

      鞏固小結

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