第十二章 D 重核裂变 链式反应

执教：杨浦区教师进修学院 李沐东

一、教学任务分析

本节课的主要内容为核力、核能、重核裂变和链式反应等。是对原子核式结构、天然放射性等知识的深化、总结和应用。本节内容的学习对学生认识核能开发利用、建立社会责任感有重要的意义。

学习本节内容需要有库仑定律、万有引力、原子核式结构等方面的知识基础。

本节的教学内容包含三大部分：核力核能、重核裂变和链式反应。这三部分内容在逻辑关系上是层层递进的，穿插它们的主线是“人们如何利用核能”。教学中教师应根据学生实际，对知识做适当的补充和拓展，使学生对本节所学的内容更容易理解。

通过教学，不仅要学生了解什么是核能、如何利用核能，更重要的要让学生感悟为什么要利用核能、如何和平的利用核能等科学态度问题。建立正确的核利用伦理观，同时增强社会责任感。

二、教学目标

1．知识与技能

（1）知道核力与核能。

（2）知道重核裂变是获取核能的有效途径之一。

（3）知道链式反应和产生链式反应的条件。

2．过程与方法

通过核能、链式反应等学习过程，感受类比和虚拟实验的方法。

3．情感、态度与价值观

通过本节的学习，懂得科学技术是一把双刃剑，感悟核能的开发与利用对建立一个和平、和谐社会的重要意义。

三、教学重点和难点

重点：重核裂变、链式反应。

难点：重核裂变是如何产生核能的。

四、教学器材和课件

“核爆炸”演示录像；相关图片。

五、教学设计思路

本节包含三部分内容：核能、重核裂变和链式反应。第一部分内容的教学主要解决什么是核能的问题，后两部分的教学主要解决如何利用核能的问题。

本教学设计以壮观的核爆炸的录像作为情景引入，在学生感受核爆炸无与伦比的威力同时，产生探究什么核能、如何利用核能的欲望。若要学生较清晰的理解什么是核能、以及如何利用核能，需要对核力的知识进行适当介绍。在本教学设计的开始特别的提供了一些数据，目的为了让学生更好的感受核力的特点。在介绍核力的基础上，再通过类比的方法，从而使学生较容易理解核能。

在了解了核能后，通过如何利用核能的设问过渡到重核裂变内容的学习。但根据上面核能部分的学习，学生必然会产生：核裂变应该吸收能量，怎么会放出能量的疑问。本教学设计是通过一个计算的活动，来解决这个疑问的。有条件的学校可以在此补充平均结合能的知识。若要持续、大量的获得核能，靠单个重核的裂变是不行的，自然过渡到链式反应部分的学习。为了使学生更容易在脑海中建立微观世界链式反应的图景，教材设立多米诺骨牌的自主活动，教学中可以做相应的演示实验，也可以播放多米诺骨牌的录像来实现这个目的。教学中还可以补充有焰燃烧的链式反应进行过渡，帮助学生理解。

没有任何其它形式的能的利用象核能这样引起人类广泛的争议，在本教学设计中，通过观看广岛核爆炸模拟录像以及就此展开的学生讨论的活动，目的是让学生建立起正确对待核能的态度，首先应肯定核能对人类的积极意义，同时也应意识到滥用核能对人类带来的巨大灾难。

本设计要突出的重点是：重核裂变、链式反应。方法是：通过计算活动，使学生理解核裂变为什么会释放出核能。通过多米诺骨牌的自主活动，通过类比的方法，从而使学生在脑海中建立微观世界链式反应的图景。

本设计要突破的难点是：重核裂变是如何产生核能的。方法是：模拟计算活动。

完成本设计的内容需1课时。

六、教学流程

1、教学流程图

2、对流程图的说明

情景 核爆炸录像

播放核爆炸演示录像，提出设问1：一次核爆炸释放的能量大约是等量物质化学反应释放能量的百万倍。它是什么能？又是如何产生的呢？

问题Ⅰ 设问2

原子核内蕴藏着巨大的能量，但人类如何才能利用核能呢？

问题Ⅱ 问题1

根据前面所述，分散的核子结合成原子核时会释放能量，那么，重核裂变时为什么会释放能量呢？

活动Ⅰ 计算

活动1：计算重核裂变前后的质量变化。

问题Ⅲ 设问3

至此，可知裂变是获得核能的一个重要途径，那么，这种裂变能否持续下去，以获得更多的核能呢？

活动Ⅱ 演示、实验

活动2：教材P44自主活动。

问题Ⅳ 设问4

根据链式反应的原理，似乎任何铀块只要有中子进入，都能发生连是反应，但事实并非如此，为什么呢？

活动Ⅲ 观看、讨论

活动3：观看广岛核爆炸模拟录像，并就此展开讨论

问题Ⅴ 问题2

原子弹是一种剧烈的、不可控制的链式反应，能不能将链式反应置于人为控制之下，将核能缓慢的释放出来？

3、教学的主要环节

本设计可分为四个具体的教学环节：

第一环节，核能。

第二环节，重核裂变。

第三环节，链式反应。

第四环节，讨论、拓展。

七、教案示例

（一）情景导入

【情景】观看核武器爆炸的录像。

【设问1】一次核爆炸释放的能量大约是等量物质化学反应释放能量的百万倍。它是什么能？又是如何产生的呢？

（二）教学内容

1、核能

（1）核力

在接受了原子核由质子和中子组成的假设后，人们不禁要问：带正电荷的质子怎么能聚集在一起呢？

因为，当时人们只知道自然界中有两种相互作用：电磁力和万有引力。质子的质量为1.67×10^-27kg，半径为0.8×10^-15m，所带电量为一个基本电荷1.6×10^-19库仑，若核内两个质子相距1.0×10^-15m，根据库仑定律，核内的两质子间的斥力会使质子以十分惊人的加速度飞散。

但通常的原子核却很稳定，这表明，在原子核内，除了质子间的库仑力外，还存在另一种力。这种力将各种核子（组成原子核的粒子）紧紧地拉在一起，这种力叫核力。实验表明，核力具有以下特点：

【板书】（或投影）核力是核子之间的作用力。它具有如下特点：

①核力是短程力，核力只有在原子核的线度内才发生作用。大体上说核子间的距离在0.8~2.0fm（1fm＝10^-15m）之间表现为引力，小于0.8fm表现为斥力，大于10fm时，核力消失。

②核力是一种强相互作用，质子间产生库仑斥力，而核力能抗拒库仑斥力而使质子紧密结合在一起，这说明核力很强。它比库仑力大100倍。

③核力与核是否带电荷无关，质子间、中子间、质子与中子间均存在的核力。

核力的本质，目前认为是一种交换力。目前以介子场论作为核力的基本理论，它能作出很多有价值的定性说明，但是这种理论还不完备，还存在严重的困难。核力的本质，还没有一个比较完美的理论来说明，关于核力的本质仍有待深入研究。

（2）核能

由于原子核内的核子间存在着强大的核力，若要把原子核拆散成核子，需要克服核力做极大的功，或者说需要有外界给以巨大的能量才能“轰开”原子核。反之，如果要把分散的质子和中子结合成原子核，就会放出能量。（就如同一颗人造卫星在摆脱地球的吸引力飞到太空中的过程中要消耗大量的能量，而天外陨石落到地球上来会释放出大量的能量一样。）

这表明，分散的核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样多的能量，这个能量叫做原子核的结合能。原子核发生变化时，可能吸收能量，也可能释放能量。这种释放出的能量，通常叫做核能。

【板书】（或投影）原子核发生变化时放出或吸收的能量叫做核能。

【设问2】原子核内蕴藏着巨大的能量，但人类如何才能利用核能呢？

2、重核裂变

所谓的重核，就是质量数较大的核。

重核的裂变是1939年德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼，用中子轰击铀核时发现的。

铀核的裂变过程可以由图1来示意，当中子打进铀核后，就形成处于激发状态的复核，复核中的核子由于激烈运动，使核变成不规则形状，核子间距离增大。由于核力只在极短的距离内发生作用，核力迅速减小，因而不能克服核子间的库仑斥力使核恢复原状，核就分裂成两部分，放出几个中子，并伴有巨大的能量放出。

【板书】（或投影）重核受到其它粒子（如中子）轰击时分裂成两块或两块以上中等质量的核的过程称为裂变。

【问题1】根据前面所述，分散的核子结合成原子核时会释放能量，那么，重核裂变时为什么会释放能量呢？

【活动1】假定铀235吸收一个中子后，裂变成一个溴85核和一个镧148核，同时放出三个中子。铀235的质量为235.124u，溴85的质量为84.938u，镧148的质量为147.96u，中子的质量为1.009u。请考察铀核裂变前后质量总和的变化。

【同学计算】裂变前的质量总和为：235.124＋1.009＝236.133u；

裂变后的质量总和为：147.96＋84.938＋3×1.009＝235.925u；

裂变过程中质量的减少为：236.133－235.925＝0.208u。

这些损失的质量到哪儿去了呢？

根据爱因斯坦相对论可知，它们变成了能量。爱因斯坦推导出一个著名的质能转换公式：E＝mc²，其中c是光速，m是静止物体的质量，E是静止物体所含的能量。由这个公式可以方便地计算出铀核裂变放出的能量约为194兆电子伏。近似地说来，每次裂变大约释放200兆电子伏的能量。这个数值是非常巨大的，比如说，1克铀235完全裂变所释放的能量，相当于2，000，000克（2吨）优质煤完全燃烧时所释放的能量。也就是说，裂变能大约要比化学能大二百万倍！

【设问3】至此，可知裂变是获得核能的一个重要途径，那么，这种裂变能否持续下去，以获得更多的核能呢？

3、链式反应

（1）链式反应

活动2 P44页“自主活动”。

得出当第一块骨牌倾倒，会导致其它骨牌接连倾倒，形成连锁反应。

铀核裂变时，一是放出中子，二是放出巨大的能量，这两种可贵的性质紧紧地吸引着人们的注意力。人们特别感兴趣的是每次裂变究竟能放出多少个中子，因为这关系到究竟能否实现持续的核裂变。

经过许多科学工作者的努力，很快就确定了每个铀235核发生裂变时平均约放出2.5个中子。大自然为我们作了这—具有特殊意义的安排：次级中子数大于1！从而使铀核裂变现象的发现成为不平凡的发现。一个铀核在一个中子作用下发生裂变，如果裂变时放出两个次级中子，这两个次级中子又引起两个铀核发生裂变，放出四个次级中子，这四个中子再引起四个铀核发生裂变……。如此下去，反应的规模将自动地变得越来越大，一幅铀核链式反应的图景（如图2），立即展现在我们面前，它吸引了多少科学家啊！确实，科学家们为实现核裂变链式反应，使之造福于人类，而付出了巨大的劳动。

【板书】（或投影）重核裂变时放出的中子引起其它重核的裂变，可以使裂变不断进行下去，这种反应就是链式反应。

【设问4】根据链式反应的原理，似乎任何铀块只要有中子进入，都能发生连是反应，但事实并非如此，为什么呢？

这是因为，铀块的体积对于产生链式反应也是一个重要因素。因为原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时，可能还没有碰到一个铀核就跑到铀块外面去了。

【板书】（或投影）能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积。

如果铀235的体积超过临界体积，只要有中子进入，就会立即引起铀核的链式反应，在极短时间内释放出大量核能，发生猛烈的爆炸。原子弹就是根据这个原理制成的。图3是我国第一颗原子弹地面爆炸时产生的火球照片。

【活动3】观看广岛原子弹爆炸的电脑模拟录像，并就“原子弹的积极与消极意义”进行讨论。

【问题2】原子弹是一种剧烈的、不可控制的链式反应，能不能将链式反应置于人为控制之下，将核能缓慢的释放出来？

（三）拓展练习

1、假设每个铀核裂变时平均释放能量200MeV，1g铀235在裂变后所释放的能量是多少？相当于多少千克的煤完全燃烧释放的能量？已知煤的燃热值是4.6×10⁶J/kg。

2、探究活动

题目：查阅核武器杀伤作用的防御的相关资料，并加以整理，以便于交流。组织：个人。评价：科普性、教育性。

发布时间：2013/6/23 下午8:26:29  阅读次数：3521