22—5 核反应  核能

22—5 核反应  核能
  教学目标
    1. 让学生知道什么是原子核的人工转变，什么是核反应，如何用核反应方程表示核反应。
2. 知道质量亏损的概念并会计算。理解爱因斯坦质能方程的物理意义，并能计算核。
3. 培养学生的理解能力、推理能力及数学计算能力。
4. 通过学习，让学生体验科学家进行探索实验、抽象概括、推理判断的基本方法。
5. 培养学生尊重客观、热爱科学的精神。
6. 使学生树立起实践是检验真理的标准、科学理论对实践有着指导和预见的作用的观点。
  教学重点、难点分析
核反应方程是本节课的一个重点，教师要引导学生按照质量数守恒和电荷数守恒的规律以及有关原子核与粒子的书写规则正确的写出核反应方程。在这个知识点的教学中，应当引导学生感受查德威克是怎样发现中子的。质能方程是本节课的第二个重点，也是难点。教师可以让学生了解质量亏损的概念与计算方法，然后讨论质能方程的物理意义，教师对此应当作出正确的解释，帮助学生认识质能方程蕴含的物理思想，并通过阅读与训练，指导学生掌握计算核能的基本方法。其中物理单位也属于一个相对难点，应让学生记住、会用。
  课时安排
1课时
  课前准备
教师：制作如下幻灯片：
①卢瑟福发现质子的实验装置图及操作过程文字说明。
②查德威克发现中子的示意图。
③核反应方程 n + he o + h     be + he c + n
④思考讨论题组<一>、<二>。
⑤质能联系方程
⑥核电站照片与数据。
⑦课堂练习题<一>、<二>。
⑧课堂小结。
学生：阅读有关核能方面的科普书籍，上网查询或下载一些有关核反应、核研究、核能的开发与利用的资料。
  教具
教具：实物投影仪，多媒体课件。
  教学过程
问题情景呈现，导入新课
师：播放投影1：大亚湾核电站外观图及核反应堆；数据：1kg铀235燃烧释放出的原子核能相当于2 500吨优质煤燃烧时放出的热量，只需几千克铀235就足够上海市24小时的耗能供应。
播放投影2：卢瑟福在1919年，首先发现质子的实验装置图，第一次实现了原子核的人工转变。在原子核的转变中，遵守哪些规律？如此巨大的核能是从哪里来的呢？这是我们在本节课将要学习和探究的新问题。
师：播放课题名称：五、核反应  核能
新课教学
师：请同学们阅读教材，然后回答以下问题。
师：板书〈一〉核反应，投影简答题组〈一〉
⑴ 什么是原子核的人工转变？
⑵ 什么是核反应？为什么说原子核的人工转变是核反应的一种？你还知道哪些核反应？
⑶ 如何用核反应方程表示核反应过程？在核反应中遵循哪些规律？
⑷ 试背写出卢瑟福发现质子的核反应方程，查德威克发现中子的核反应方程。
⑸ 试比较说明核反应与化学反应的本质区别。
生：阅读有关内容后，先独立思考，然后抽查学生回答问题，互相评价，教师倾听。点拔强调如下：
核反应是一种客观变化。它遵守电荷数与质量数守恒两条规律。核反应方程是对核反应过程的抽象表达。核反应是原子核的变化，结果是产生了新的元素，“点石问金”的梦想在核反应中得以实现；而化学反应且是原子的重组，原子外层电子的得失，结果是生成了新的分子，并无新元素的产生。
师；投影练习题组<二>。请同学们指出下列核反应方程的真伪，错误的加以纠正。
a.  n + α o +质子
b.  c + he o + h
c.  be + he c + γ（光子）
d.  h + n h +γ（光子）
学生观察，相互讨论，指出真伪及错误所在。同时，请四位不同能力的学生上讲台改正并讲述理由。
师：质量数和电荷数守恒是判断核反应方程正确与否的必要条件。但是，人们是否可以用这两个条件来编写核反应方程呢？如果不可以的话，应该采用什么办法来确定核反应的产物，检验核反应的真伪呢？下面我们一起体验查德威克（英）在1832年是如何发现并确定“中子”的。（学生激起悬念，试目以待。）
师：投影幻灯片——中子是怎样发现的？

天然放射性元素po放出α粒子，轰击铍（be）原子核时，发出了一种未知射线，这种未知射线可以从石蜡（含碳）中打出质子（ h）。那么我们如何确定这种未知射线的本质特征呢？即确定它是否带电？如果带电的话，带的是正电还是负电？电荷数如何？质量数如何？
学生分组讨论，提出初步的设想及根据，然后全班同学共同交流和比较，形成一个或几个科学而又可行的方案。最后，教师评价，肯定、鼓励同学们表现出的热情和智慧。对不足之处加以引导、点拨、纠正。
教师归纳同学的设计并板书如下内容：
这种未知射线：
① 在空气中的速度小于光速c的1/10 不是光子；
② 在电场或磁场中不会偏转 不带电；
③ 与碳核和氢核（或其它核）发生弹性正碰，一定符合动量守恒定律和能量守恒定律。
最终结论：未知射线是质量近似等于质子质量但不带电的基本粒子——“中子”。
刚才我们研究了核反应中生成新元素和粒子的确定方法及表达形式，下面，我们从能量的角度来分析核反应现象。教师板书：
<二>核能的释放及计算
师：朗读教材，板书：
1. 核能——核反应中释放的能量。核能是从哪里来的？
学生阅读教材后，独立思考上述问题，教师倾听、询问、了解学生提出的各种疑问，然后启发讲解，投影如下内容：
爱因斯坦质能方程：e=mc2中，e表示物体的能量，m表示物体的质量，c表示真空中的光速。
① 物体具有的能量与它的质量成正比，物体的能量增大了，质量也增大；能量减小了，质量也减小。
② 任何质量为m的物体都具有大小相当于mc2的能量。由于c2非常大（9 1016m2/s2），所以对质量很小的物体所包含（或具有）的能量是非常巨大的。对此，爱因斯坦说过：“把任何惯性质量理解为能量的一种贮藏，看来要自然得多。”所以质量于能量实质上是相象的，它们只不过是同一事物的不同表示。
③ 在国际单位制中，e、m、c的单位分别取j、kg和m/s。
④ 由e=mc2得 e= m•c2，其蕴含着怎样的意义？ m表示物体的质量亏损， e表示与 m相当的能量。如果物体的能量减小了 e，即向外释放 e的能量，它的质量就会亏损 m = 。理论和实验都表明，只有在核反应中，才可能发生质量亏损，因而伴随着巨大的能量向外辐射。例如，在中子和质子结合成氘核的过程中，由于发生了质量亏损，从而释放出了2.2mev的核能。
生：仔细阅读教材及旁批内容。师生共同归纳计算核能的思路和步骤。
教师板书如下内容：
2. 核能的计算步骤：
首先，写出正确的核反应方程。
其次，计算核反应前后的质量亏损 m。
然后，根据质能方程 e= m•c2，计算核能。
注意的几个问题：
① 记住以下单位换算关系
1mev=106ev
1ev=1.602 2 10-19j
1u（原子质量单位）=1.660 6 10-27kg
② 1u相当于9351.5mev的能量（自己证明），这是计算核能经常用导的关系。
③ 如果在某些核反应中，物体的能量增加了，说明核反应中物体的质量不是亏损，而是增加了。例如，把氘核分解成独立的中子和质子时，应从外界吸收2.2mev的能量。即2.2mev + h n+ h
④ m实际是物体静止质量的亏损。在相对论中，当物体的运动速度接近光速时，物体的质量，将随着速度的变化而变化（增大了）。
【--说明】
本节的内容比较抽象，核能及质量亏损的计算繁、难。但是，教学大纲要求较高，应予重视。在--上真正体现以学生发展为主的教育理念。本节内容属于本章的中心内容，承上启下，地位重要。既要重视基本概念、规律的指导学习，又要通过中子发现等重要实验学习，培养学生的探究意识和人文精神。采用“问题驱动与探究”的模式可以实现较为满意的效果。
质能方程不仅适用于原子核的人工转变，还适用于衰变、裂变、聚变。
另外，在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生成的新核和粒子的动能，因而可利用动量守恒和能量守恒定律来计算核能。