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《裂變和聚變》教學設計

學習目標

1.知道重核裂變和輕核聚變，了解鏈式反應，體會用物理模型分析問題。

2.了解可控熱核聚變反應，了解核技術應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，感受科學家的責任擔當。

一.新課引入：

對原子核進一步認識：

1.原子核蘊藏著巨大的能量。怎樣才能將原子核蘊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和一般規(guī)律。

2.元素周期表前面元素的原子核質量小屬于輕核，其質子數(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

原子核中的質子數(shù)又稱為原子序數(shù)，這是因為它與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，其質子和中子數(shù)相等（N=Z），例如，

氨4的原子核有2個質子和2個中子，硅28各有14個質子和中子。但是大多數(shù)重核是

中子多于質子，例如，金197有79個質子和118個中子，鈾238有92個質子和146個

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

量的核方向發(fā)生核反應會釋放出能

量。輕核向中等質量的核方向發(fā)生核

反應也會釋放出能量，中等質量的核

向重核方向發(fā)生反應要吸收能量。

一.新課講授：

一.核裂變與鏈式反應

1．核裂變：核物理中，把重核被中子轟擊后分裂成兩個質量差不多的新原子

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，德國物理學家哈恩與斯特拉斯曼利用中子轟擊鈾核時，

發(fā)現(xiàn)了鈾核的裂變.

2）裂變產物：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，一個鈾核釋放的能量是微不足道的，但物質所含原

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

應方程可以看出，一個鈾核俘獲一個中子，生成兩個中等質量的核，又釋放出3

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

鈾核引起3個鈾核裂變，3個鈾核引起9個鈾核裂變，9個鈾核引起27個鈾核裂

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

裂，我們這樣的反應叫鏈式反應。

3.鏈式反應

①定義：當一個中子引起一個重核裂變后，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，這樣的核反應叫鏈式反應

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。為了使裂變的鏈式反應容易發(fā)生，最好是利用

高濃度鈾235.

鈾塊的體積對于產生鏈式反應也是一個重要因素，因為原子核非常小，如果

鈾塊的體積不夠大，中子從鈾塊中通過時，可能還沒有碰到鈾核就跑到鈾塊外面

去了。能夠發(fā)生鏈式反應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式反應，在很短的時間內會釋放出大

量的核能，發(fā)生猛烈的爆炸，原子彈成是根據(jù)這個原理制成的。

②必要條件：核裂變物質的體積大于或等于臨界體積

2

中國原子能科學之父錢三強

1947年在實驗中發(fā)現(xiàn)鈾核也可能分裂成三部分和四部分。上世紀五十年代領

導建成中國第一個重水型原子反應堆和第一臺回旋加速器。又組織聯(lián)合攻關，為

第一顆原子彈和氫彈的研制成功作出了重要貢獻。

二.核聚變及受控熱核反應

1.核聚變：

1）定義：輕核結合成質量較大的原子核的反應叫聚變.

2

1H

3

1H

4

2

He0

n17.6MeV

1

該過程約釋放出17.6MeV的結合能.聚變時每個核子平均釋放的結合能要比

重核裂變時每個核子平均釋放的結合能大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

動能。理論上，物質達到幾百萬攝氏度以上的高溫時，小部分原子核就具有足夠

的動能，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

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

萬攝氏度以上，在那里熱核反應激烈地進行著。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產生的。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）實例

①宇宙天體：熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應

堆。

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

核爆炸。

2．核聚變與核裂變相比有很多優(yōu)點

1)輕核聚變產能效率高。

2)地球上核聚變燃料的儲量豐富。

3)輕核聚變更為安全、清潔。

熱核反應釋放的能量，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，這就是受控熱核反應課題所研究的內容。現(xiàn)在物理學家經過研究發(fā)

現(xiàn)，

3．實現(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，核反應堆釋放核能，轉變?yōu)閮饶?，更轉變?yōu)殡娔堋?/p>

3

2）核反應堆：

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

熱中子反應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時會彈射回來，卻容易被鈾235俘獲而引起裂變，為了調節(jié)中子數(shù)

目以控制反應速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒。鎘吸收中子的能力很強，

當反應過于激烈時，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應的速度

就會慢一些；當反應過于緩慢，達不到所需功率時，將鎘棒插入淺一些，讓它少

吸收一些中子，鏈式反應速度就會增大。這種鎘棒被稱為控制棒。用電子儀器自

動地調節(jié)控制棒，就能使反應堆保持一定的功率輸出而安全地運行.

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，控制反應速度，所以叫作控制棒。

④水泥防護層：屏蔽射線，防止放射性污染。

3）核電站優(yōu)點：

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.核動力潛艇，破冰船和核動力航母

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

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

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

反應，釋放出大量核能。已知一個

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核裂變時能釋放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