高中物理粵教版（2023）選擇性必修第三冊 第五章原子與原子核-第五節(jié)裂變與聚變教案

第第頁高中物理粵教版（2023）選擇性必修第三冊第五章原子與原子核_第五節(jié)裂變與聚變教案第四課時(shí)《裂變和聚變》教學(xué)設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.知道重核裂變和輕核聚變，了解鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，體會用物理模型分析問題。

2.了解可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)，了解核技術(shù)應(yīng)用對人類生活和社會發(fā)展的影響。

3.了解人類探索粒子的歷程，感受科學(xué)家的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

一.新課引入：

對原子核進(jìn)一步認(rèn)識：

1.原子核蘊(yùn)藏著巨大的能量。怎樣才能將原子核蘊(yùn)藏的能量有效地釋放出

來造福于人類呢，我們必須要掌握原子核的特點(diǎn)和一般規(guī)律。

2.元素周期表前面元素的原子核質(zhì)量小屬于輕核，其質(zhì)子數(shù)等于中子數(shù)。比

如

4

2

He和1248Si；后面元素的原子核屬于重核，一般中子數(shù)要多于質(zhì)子數(shù)。比如

197Au和238U。

79

92

3.83號元素鉍之后的原子核就不穩(wěn)定了，它們會自發(fā)地裂變或衰變；92號

元素鈾之后的原子核就十分不穩(wěn)定了，很難在自然狀態(tài)下存在,比如Pu。

244

94

原子核中的質(zhì)子數(shù)又稱為原子序數(shù)，這是因?yàn)樗c元素周期表中元素的排列

序號一致，一般排在周期表前面的輕核，其質(zhì)子和中子數(shù)相等（N=Z），例如，

氨4的原子核有2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子，硅28各有14個(gè)質(zhì)子和中子。但是大多數(shù)重核是

中子多于質(zhì)子，例如，金197有79個(gè)質(zhì)子和118個(gè)中子，鈾238有92個(gè)質(zhì)子和146個(gè)

中子。

排在第83號元素鉍之后的原子核不穩(wěn)定，它們會自發(fā)裂變或衰變成更輕的原

子核，排在第92號元素鈾之后的原子核十分不穩(wěn)定，很難在自然狀態(tài)下存在。如

第94號元素钚是人工制造出來的，主要用于核武器，目前在自然界中尚沒有找到

4.原子核比結(jié)合能的大小決定了原子核的穩(wěn)定性。

從曲線可以看出，重核向中等質(zhì)

量的核方向發(fā)生核反應(yīng)會釋放出能

量。輕核向中等質(zhì)量的核方向發(fā)生核

反應(yīng)也會釋放出能量，中等質(zhì)量的核

向重核方向發(fā)生反應(yīng)要吸收能量。

一.新課講授：

一.核裂變與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

1．核裂變：核物理中，把重核被中子轟擊后分裂成兩個(gè)質(zhì)量差不多的新原子

核，并放出核能的過程，叫核裂變。

1

2.鈾核的裂變

1）發(fā)現(xiàn)：1938年，德國物理學(xué)家哈恩與斯特拉斯曼利用中子轟擊鈾核時(shí)，

發(fā)現(xiàn)了鈾核的裂變.

2）裂變產(chǎn)物：多種多樣

3）鈾核的典型裂變方程

29325U0

1

n144Ba89Kr30

n

1

56

36

鈾核的裂變是放能反應(yīng)，一個(gè)鈾核釋放的能量是微不足道的，但物質(zhì)所含原

子核的數(shù)目是巨大的，單位質(zhì)量的鈾核釋放的能量是十分驚人的。從上面的核反

應(yīng)方程可以看出，一個(gè)鈾核俘獲一個(gè)中子，生成兩個(gè)中等質(zhì)量的核，又釋放出3

個(gè)中子，3個(gè)中子如果再被鈾核所俘獲，又會引起3個(gè)鈾核發(fā)生裂變，這樣一個(gè)

鈾核引起3個(gè)鈾核裂變，3個(gè)鈾核引起9個(gè)鈾核裂變，9個(gè)鈾核引起27個(gè)鈾核裂

變，以此下去，這種反應(yīng)就會以指數(shù)冥的形式繼續(xù)下去，就像樹枝的樹丫一樣分

裂，我們這樣的反應(yīng)叫鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

①定義：當(dāng)一個(gè)中子引起一個(gè)重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂

變，且能不斷繼續(xù)下去，這樣的核反應(yīng)叫鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

在天然鈾中，主要有兩種同位素，其中99.3%是鈾238，0.7%是鈾235.這兩種

同位素與中子的作用很不相同。鈾235俘獲各種能量的中子時(shí)都可能發(fā)生裂變。鈾

238只有俘獲能量大于1MeV的中子才可能發(fā)生裂變。能量低于1MeV的中子跟鈾

238基本上只發(fā)生彈性碰撞。因此。為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)生，最好是利用

高濃度鈾235.

鈾塊的體積對于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也是一個(gè)重要因素，因?yàn)樵雍朔浅Ｐ?，如?/p>

鈾塊的體積不夠大，中子從鈾塊中通過時(shí)，可能還沒有碰到鈾核就跑到鈾塊外面

去了。能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊最小體積叫作它的臨界體積。如果鈾235的體積超

過了它的臨界體積，就會立即引起鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在很短的時(shí)間內(nèi)會釋放出大

量的核能，發(fā)生猛烈的爆炸，原子彈成是根據(jù)這個(gè)原理制成的。

②必要條件：核裂變物質(zhì)的體積大于或等于臨界體積

2

中國原子能科學(xué)之父錢三強(qiáng)

1947年在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)鈾核也可能分裂成三部分和四部分。上世紀(jì)五十年代領(lǐng)

導(dǎo)建成中國第一個(gè)重水型原子反應(yīng)堆和第一臺回旋加速器。又組織聯(lián)合攻關(guān)，為

第一顆原子彈和氫彈的研制成功作出了重要貢獻(xiàn)。

二.核聚變及受控?zé)岷朔磻?yīng)

1.核聚變：

1）定義：輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核的反應(yīng)叫聚變.

2

1H

3

1H

4

2

He0

n17.6MeV

1

該過程約釋放出17.6MeV的結(jié)合能.聚變時(shí)每個(gè)核子平均釋放的結(jié)合能要比

重核裂變時(shí)每個(gè)核子平均釋放的結(jié)合能大3~4倍。

2）發(fā)生條件：

要使原子核發(fā)生聚變，必須使它們接近到10-15m，也就是接近到核力能夠發(fā)生

作用的范圍、由于原子核都是帶正電的，要使它們接近到這種程度，必須克服電

荷之間強(qiáng)大的靜電斥力。這就要把它們加熱到很高的溫度，使原子核具有很大的

動(dòng)能。理論上，物質(zhì)達(dá)到幾百萬攝氏度以上的高溫時(shí)，小部分原子核就具有足夠

的動(dòng)能，能夠克服相互間的庫侖斥力，在互相碰撞中接近到可以發(fā)生聚變的程度。

因此，核聚變又叫作熱核反應(yīng)

熱核反應(yīng)在宇宙中是很普遍的現(xiàn)象。在太陽和許多恒星內(nèi)部，溫度都高達(dá)1000

萬攝氏度以上，在那里熱核反應(yīng)激烈地進(jìn)行著。太陽每秒輻射出來的能量約為

3.8×10%J，這都是通過熱核反應(yīng)產(chǎn)生的。地球只接受了其中的二十億分之一，就

孕育出了地球上豐富多彩的生命。

3）實(shí)例

①宇宙天體：熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)

堆。

②核武器：氫彈，由化學(xué)炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱

核爆炸。

2．核聚變與核裂變相比有很多優(yōu)點(diǎn)

1)輕核聚變產(chǎn)能效率高。

2)地球上核聚變?nèi)剂系膬α控S富。

3)輕核聚變更為安全、清潔。

熱核反應(yīng)釋放的能量，現(xiàn)在人們還不能控制它，也不能加以利用，這種能量

現(xiàn)在只具有破壞性，不具有建設(shè)性。怎樣讓這種核能為人類所控制，平緩地釋放

造福于人類，這就是受控?zé)岷朔磻?yīng)課題所研究的內(nèi)容?，F(xiàn)在物理學(xué)家經(jīng)過研究發(fā)

現(xiàn)，

3．實(shí)現(xiàn)可控核聚變的兩種方案：磁約束和慣性約束。

三.核能利用

1.核電站：

1）核電站工作流程，簡單地說，核反應(yīng)堆釋放核能，轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，更轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

3

2）核反應(yīng)堆：

①鈾棒：由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，它是核反應(yīng)堆的燃料。

熱中子反應(yīng)堆用的鈾棒是天然鋪或濃縮鋪（其中鋪235的含量約為3%）。由

于裂變產(chǎn)生的是速度很大的快中子，很容易被鈾238俘獲而不發(fā)生裂變，所以必須

設(shè)法使中子在碰上鈾238前降低速度。為此在軸棒的周圍放上原子量比較小又不吸

收或很少吸收中子的物體，如石墨、重水，快中子跟這些物體的原子核碰撞后，

能量減小，變成慢中子，或稱熱中子.這種用來使中子減速的物體叫作慢化劑。慢

中子碰到鈾238時(shí)會彈射回來，卻容易被鈾235俘獲而引起裂變，為了調(diào)節(jié)中子數(shù)

目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒。鎘吸收中子的能力很強(qiáng)，

當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度

就會慢一些；當(dāng)反應(yīng)過于緩慢，達(dá)不到所需功率時(shí)，將鎘棒插入淺一些，讓它少

吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度就會增大。這種鎘棒被稱為控制棒。用電子儀器自

動(dòng)地調(diào)節(jié)控制棒，就能使反應(yīng)堆保持一定的功率輸出而安全地運(yùn)行.

②石墨(或重水)：石墨(或重水)作為慢化劑，附著在鈾棒周圍，使反應(yīng)生成的快

中子變?yōu)槁凶?，便于被?35“捉”住，發(fā)生核裂變。

③鎘棒：主要作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以叫作控制棒。

④水泥防護(hù)層：屏蔽射線，防止放射性污染。

3）核電站優(yōu)點(diǎn)：

①消耗的核燃料少

4

②污染小

一座百萬千瓦級的核電站，一年只消耗濃縮鈾30噸左右，而同樣功率的火電

站每年要消耗煤250萬噸。核電站對環(huán)境的污染比火電站小。

2.核動(dòng)力潛艇，破冰船和核動(dòng)力航母

例題：2023年5月25日，“華龍一號”全球首堆示范工程—福清核電5號機(jī)

組順利完成穹頂?shù)跹b，工程正式由土建階段進(jìn)入安裝階段。在核電站中，核反應(yīng)

堆釋放的核能轉(zhuǎn)化為電能，核反應(yīng)堆的工作原理是利用中子轟擊重核鈾發(fā)生裂變

反應(yīng)，釋放出大量核能。已知一個(gè)

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核裂變時(shí)能釋放200MeV的能量，燃燒1kg

煤所放出的能量為2.94×10

請從數(shù)量級上感受鈾完全裂變釋放的能量與燃燒煤釋放的能量的差異。

.

分析：可以分別選取1kg的29325U和煤，比較1kg235U完全裂變和1kg煤完

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全燃燒所釋放的能量。

NMN

1

6.0210232.6