Конспект урока Деление ядра урана. Цепные ядерные реакции

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

муниципального образования «Город Архангельск»

«Открытая (сменная) школа»

Конспект урока «Деление ядра урана. Цепные ядерные реакции».

9 класс.

Учитель: Балашова Лилия Викторовна.

Цель: сформировать у учащихся представление о делении ядер урана, о протекании цепной ядерной реакции.

Задачи:

Цель: сформировать у учащихся представление о делении ядер урана.

Задачи: - проверить ранее изученный материал;

- рассмотреть механизм деления ядра урана;

- рассмотреть условие возникновения цепной реакции;

- выяснить факторы, влияющие на протекание цепной реакции;

- развивать речь и мышление учащихся;

- развивать умение анализировать, контролировать и корректировать

собственную деятельность в рамках заданного времени.

- воспитывать чувство патриотизма, негативного отношения к войне.

Ход занятия

I. Организационный момент .

Приветствие, объявление плана занятия и эпиграфа к нему. (Слайд 1, 2)

План урока:

1. Повторение пройденного материала (фронтальный тест); (слайд 3)

2. Новый материал:

а) рассмотреть схему деления ядра урана;

б) рассмотреть схему цепной ядерной реакции;

в) выяснить, от чего зависит цепная ядерная реакция;

г) вспомнить негативные последствия применения цепной ядерной реакции;

3. Закрепление пройденного материала:

А) фронтальное выполнение заданий;

Б) индивидуальное выполнение заданий (самостоятельная работа).

II. Повторение ранее изученного материала.

Тест: (фронтально).

1. Почему положительно заряженные протоны, входящие в состав ядер, не отталкиваются друг от друга? (слайд 4).

А) между ними существует электростатическое притяжение;

Б) между ними существует ядерное взаимодействие;

В) между ними существует магнитное взаимодействие;

Г) между ними взаимодействует гравитационное взаимодействие.

2. Кто открыл закон взаимосвязи массы и энергии? (слайд 5).

А) Кюри

Б) Эйнштейн
в) Томсон

Д) Содди

3. Ядерные силы действуют: (слайд 6).

А) только между протонами;

Б) только между нейтронами;

В) между всеми нуклонами;

Г) между протонами и электронами.

4. Дефект масс - это: (слайд 7).

А) разница между суммой масс протонов и нейтронов и массой ядра;

Б) разница между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов;

В) разница между массой протонов и массой ядра ;

Г) разница между массой ядра и массой протонов.

5. По какой формуле вычисляется энергия связи? (слайд 8).

А)

Б)

В)

Г) среди ответов нет правильного.

6. Порядковый номер элемента в таблице химических элементов Менделеева равен: (слайд 9).

А) числу протонов в ядре

Б) числу нейтронов в ядре

В) ничему не равен

Г) числу нуклонов в ядре.

7. Согласно современным представлениям ядро атома состоит из: (слайд 10).

А) электронов и нейтронов

Б) протонов и нейтронов

В) электронов и позитронов

Г) протонов и электронов.

8. Сколько протонов в ядре атома (слайд 11).

А) 14

Б) 28

В) 0

Г) 42

9. По данным таблицы Менделеева определите число нейтронов в ядре лития (слайд 12).

А) 3

Б) 7

В) 4

Г) 10

10. Соотнесите элементы таблицы Менделеева, находящиеся в левом столбце, с составами атомов, находящимися в правом столбце. (слайд 13).

А)

1) 1) Z=17, A=35, N=18

Б)

2) Z=80, A=200, N=120

В)

3) Z=30, A=65, N=35

Г)

4) Z=17, A=18, N=35

5) Z=35, A=80, N=45

А

Б

В

Г

III. Изучение нового материала.

В процессе изучения темы «Радиоактивность» мы выяснили, что некоторые ядра тяжелых элементов обладают свойством самопроизвольного превращения в ядра других химических элементов. Давайте зададимся вопросом, а как еще можно изменить химический элемент? Что нужно сделать с ядром, чтобы оно превратилось в ядро другого элемента? (Изменить его состав, т.е. количество нуклонов)

Для этого нужно, чтобы ядро взаимодействовало с другим ядром или с элементарной частицей, в результате чего произойдет реакция превращения в ядро другого элемента, при этом выделяется огромное количество энергии. Такая реакция называется ядерной реакцией. Давайте запишем определение. (слайд 14). Ядерные реакции осуществляются путем бомбардировки тяжелых ядер элементарными частицами или легкими ядрами, ускоренными до больших скоростей. Ядро захватывает частицу, поглощает ее энергию и переходит в возбужденное состояние. Ядро становится неустойчивым и переходит в новое ядро с испусканием другой частицы. Ядерная реакция характеризуется энергетическим выходом реакции, которая равна разности энергии покоя частиц ядра до реакции и после нее. Если разность положительная, то реакция идет с выделением энергии и называется экзотермической. Если реакция идет с поглощением энергии, то реакция называется эндотермической

Одним из вариантов ядерной реакции может быть деление ядра элемента на два ядра других элементов. Например ядро урана (92-235) при попадании в него нейтрона делится на ядра бария и криптона.

Подобный эффект открыли еще в 1939 году два немецких учёных Фриц Штрассман и его сотрудник Отто Ган. Им удалось обнаружить в процессе взаимодействия с ядрами свободных нейтронов возникновение ядер-осколков, чьи заряды и массы приблизительно вдвое меньше похожих величин ядер урана. (слайд 15).

Историческая справка. Кто на самом деле открыл деление ядра урана? 1938 году Ирен Кюри при бомбардировке урана нейтронами открыла новый изотоп, по химическим свойствам напоминающий лантан. Она была на пороге открытия, но ей никто не поверил. Ни Бор, ни Резерфорд. Отто Ганн (химик) и Фриц Штрассман (физик) облучали нитрит уранила нейтронами и сами удивлялись: атом не может разделиться пополам. Штрассман: "как физик, я должен сказать, что это невозможно". Ган: "Но как химик, я с уверенностью могу сказать, что продукт реакции - это радиоактивный барий. Точно также, как и лантан, открытый Ирен Кюри..". Они фактически открыли деление ядра урана. Их статья была опубликована 22 декабря 1938 года.

Объяснение этому было дано австрийским ученым Лизой Мейтнер и англичанином Отто Робертом Фришем также в 1939 году. Открытое вновь явление назвали делением ядер, а полученные элементы назвали осколками деления.

Изучим механизм деления ядра урана. Для этого будем использовать капельную модель ядра, т.е. будем представлять ядро в виде капли жидкости.

При попадании нейтрона в ядро урана 92-235 ядро приходит в неустойчивое возбужденное состояние, при этом изменяется его форма. (слайд 16). И здесь возможны два варианта поведения ядра. 1) если энергии нейтрона недостаточна, то ядро испускает гамма-квант и вновь приходит в невозбужденное состояние и принимает обычную форму. 2) Если энергия нейтрона достаточна, то ядро вытягивается и образуется перетяжка подобно той, которая образуется в капле, делящейся на две части. Вблизи этой перетяжки силы электростатического отталкивания преобладают над ядерными силами притяжения и ядро разлетается на два осколка, летящих в противоположные направления и высвобождаются 2-3 нейтрона. При этом часть внутренней энергии ядра переходит в кинетическую энергию осколков и частиц. Осколки быстро тормозятся в среде и их кинетическая энергия превращается во внутреннюю энергию среды, что приводит к резкому увеличению температуры.

Энергия, выделяющаяся при делении ядер, колоссальна. Так, например, энергия, выделяющаяся при делении ядер урана массой 1 грамм сопоставима с энергией, выделяющейся при сжигании 2,5 тонн нефти. (слайд 17).

Важно, что при делении ядра урана высвобождаются 2-3 нейтрона это объясняется тем, что в ядрах тяжелых элементов нейтронов значительно больше в процентном соотношении, чем в ядрах элементов средней части таблицы Менделеева. Эти вторичные нейтроны могут привести к делению других ядер, что приведет к цепной реакции. Число высвобождающихся нейтронов быстро возрастает, поэтому не требуется дополнительного облучения ядер нейтронами. В связи с этим можно дать такое определение цепной ядерной реакции: цепная ядерная реакция - это реакция, в которой частицы, вызывающие эту реакцию, являются продуктами этой реакции. Запишем определение. (слайд 18).

Рассмотрим механизм цепной ядерной реакции. На рисунке нейтрон вызывает деление ядра урана 92-235 на два осколка и два нейтрона. В свою очередь эти два нейтрона могут вызвать деление уже двух ядер урана с выделением 4 нейтронов. Дальше уже могут делиться 4 ядра с образованием 8 нейтронов и так далее. Это идеальный случай. В реальных условиях не все нейтроны могут принимать участие в делении ядер. Часть из них захватываются другими неделящимися ядрами, а часть из них могут вылететь за пределы вещества наружу. Поэтому цепная реакция деления ядер урана возникает не всегда и не при любых условиях.

Развитие цепной реакции характеризуется коэффициентом размножения нейтронов. Коэффициент размножения нейтронов - это отношение числа нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции. (слайд 19).

Коэффициент размножения нейтронов зависит:

-от природы делящегося вещества

-от количества делящегося вещества

-от геометрической формы вещества

-от занимаемого веществом объема

Одно и то же количество вещества будет иметь различные коэффициенты размножения.

Коэффициент размножения будет максимален, если вещество имеет шарообразную форму. В этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей.

Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения равным единице, называется критической массой. (слайд 20).

Величина критической массы определяется геометрической формой вещества, его структурой и внешним окружением. Так, для шара урана 92-235 критическая масса равна 47 кг. Шар диаметром 17 см. но если шар содержит многочисленные тонкие полиэтиленовые пленки и окружен бериллиевой оболочкой, то критическая масса снижается до 242 г и диаметр уменьшается до 3 см. при коэффициенте размножения, равном 1, число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим обеспечивается в ядерном реакторе.

Если масса вещества меньше критической массы, то коэффициент размножения меньше 1, количество делящихся ядер стремительно уменьшается и реакция затухает.

Если масса вещества больше критической, то коэффициент размножения больше 1, и все большее число нейтронов участвует в делении ядер урана. Количество таких реакция возрастает лавинообразно и реакция имеет взрывной характер. Реакция сопровождается огромным выделением энергии, а также повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы.

В атомных бомбах цепная неуправляемая ядерная реакция возникает при быстром соединении двух кусков урана-235, каждый из которых имеет массу несколько ниже критической.

6 августа 1945 года в 1час 45 минут американский бомбардировщик B-29 под командованием полковника Пола Тиббетса, взлетел с острова Тиниан, находившегося примерно в 6 часах лета от Хиросимы. (Фильм).

Количество погибших от непосредственного воздействия взрыва составило от 70 до 80 тысяч человек. К концу 1945 года, в связи с действием радиоактивного заражения и других пост-эффектов взрыва, общее количество погибших составило от 90 до 166 тысяч человек. По истечении 5 лет, общее количество погибших достигло 200 000 человек.

Закрепление нового материала:

1. Давайте запишем уравнение реакции деления ядра урана 92-235, если известно, что при таком делении образуется 2 нейтрона и один из осколков является ядром ксенона 54-140. Ядром какого элемента является второй осколок? (слайд 22).

2. Осколок какого химического элемента (второй) образуется при делении ядра урана, заданного уравнением

3. Сколько нейтронов выделяется при делении ядра урана при бомбардировке его нейтронами, заданного уравнением:

4. Реакция деления ядра урана задана уравнением

Какова масса изотопа урана? Назвать химические элементы, являющиеся осколками от деления урана.

Тест:

1. Явление деления ядра урана открыли: (слайд 23).

А) Ф. Штрассман и О.Ган;

Б) Н.Бор и Э.Резерфорд;

В) А.Беккерель и Д.Томпсон;

Г) П.Кюри и М.Склодовская-Кюри.

2. Минимальное количество ядерного топлива, необходимое для того, чтобы началась цепная реакция, называется... (слайд 24).

А) пороговой массой

Б) критической массой

3. Соотнесите коэффициент размножения нейтронов в левом столбце, массу вещества в среднем столбце и степень реакции, в правом столбце. (слайд 25).

Коэффициент размножения нейтронов

Масса вещества

Степень реакции

А) К

1) М=М_кр

I) Реакция управляемая

Б) К=1

2) ММ_кр

II) Реакция неуправляемая

В) К

3) М_кр

III) Реакция затухающая

А

Б

В

3

1

2

II

I

III

3. Одним из возможных вариантов деления ядра урана выглядит следующим образом + 2· что при этом испускается? (слайд 26).

После выполнения теста проверяем по слайдам и оцениваем свою работу по критериям на слайде 27.

Подведение итогов урока:

1. С какими понятиями вы познакомились на сегодняшнем уроке?

2. Сообщаю оценки за урок.

Релаксация.

Оцените, понравился ли вам урок, а также вашу работу на уроке, опустив в шкатулку соответствующий смайлик.

Всем спасибо за урок. (слайд 28).

Приложение 1.

Тест.

1. Явление деления ядра урана открыли:

А) Ф. Штрассман и О.Ган;

Б) Н.Бор и Э.Резерфорд;

В) А.Беккерель и Д.Томпсон;

Г) П.Кюри и М.Склодовская-Кюри.

2. Минимальное количество ядерного топлива, необходимое для того, чтобы началась цепная реакция, называется...

А) пороговой массой

Б) критической массой

3. Соотнесите коэффициент размножения нейтронов в левом столбце, массу вещества в среднем столбце и степень реакции, в правом столбце.

Коэффициент размножения нейтронов

Масса вещества

Степень реакции

А) К

1) М=М_кр

I) Реакция управляемая

Б) К=1

2) ММ_кр

II) Реакция неуправляемая

В) К

3) М_кр

III )Реакция затухающая

А

Б

В

4.Одним из возможных вариантов деления ядра урана выглядит следующим образом + 2· что при этом испускается?

Приложение 2.

понял не совсем.

совсем не понял

стоит подумать

я все понял

ура, я гений.