Конспект урока по теме Цепные ядерные реакции

Физика, 11 класс.

Тема: Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции.

Цели урока:

• Обучающая: показать возможность практического получения большого количества ядерной энергии в результате деления ядер урана 235.

• Развивать логическое мышление, умение анализировать и обобщать изученный материал, творческие способности.

• Формирование духовного богатства личности.

Оборудование: компьютер, монитор, таблицы, портреты ученых, раздаточный материал (тест, бланк ответов, тексты дифференцированных задач для домашнего задания).

План урока:

1. Проверка домашнего задания. Тестирование (7 мин). Решение задач (3мин).

2. Объяснение нового материала (20мин).

3. Закрепление знаний, умений, навыков: решение задач, фронтальная беседа (10 мин).

4. Домашнее задание (1 мин).

5. Подведение итогов урока (2 мин).

6. Рефлексия (2мин).

Ход урока

1. Проверка домашнего задания. Раздаются тестовые задания по теме предыдущих уроков, бланк ответа перед уроком. 1 ученик у доски решает задачу, остальные выполняют тесты на местах. На выполнение теста дается 7 мин. В целях самопроверки в дальнейшем тесты выполняется под копирку в рабочую тетрадь. После выполнения теста проверка.

Слайд 1.Тема урока: «Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции».

Вариант 1.

1.Какие частицы входят в состав ядра атома? А.электроны и протоны. Б. Протоны , нейтроны и электроны.

В. протоны и нейтроны.

2. Ядро бора ¹¹ ₅В состоит из …

А. 5 электронов и 6 нейтронов. Б. 5 протонов и 6 нейтронов.

В. 5 протонов и 11 нейтронов. Г. 6 нейтронов и 11протонов.

3. γ-излучение представляет собой …

А. Поток отрицательно заряженных частиц. Б. Поток протонов.

В. Поток ядер гелия. Г. Электромагнитная волна.

4. Согласно гипотезе Планка, энергия света поглощается веществом …

А. в зависимости от интенсивности света. Б. порциями, равными hν

В. любыми порциями (квантами). Г. непрерывно, пока есть освещение.

5. Определите число протонов и нейтронов в ядре атома алюминия ²⁷₁₃Аl и число электронов в электронной оболочке этого атома.

А. 13 протонов, 27 нейтронов и 27 электронов.

Б. 13 протонов, 14 нейтронов и 13 электронов.

В. 13 протонов, 14 нейтронов и 14 электронов.

Г. 14 протонов, 13 нейтронов и 14 электронов.

6. Какое из трёх видов излучений (α, β или γ) обладает наибольшей проникающей способностью?

А. α-излучение. Б. β-излучение. В γ-излучение.

Г. Проникающая способность всех указанных видов излучений одинаковая.

7. В результате электронного β-распада ядро магния ²⁷₁₂Мg превращается в ядро:

А.

²³₁₀Ne

Б.

²⁶₁₂Mg

В.

²⁶₁₃Al

Г.

²⁷₁₃Al.

8. Энергия связи атомного ядра -это:

А.Энергия , необходимая для полного расщепления ядра на отдельные частицы.

Б. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра.

В. Энергия связи электронов с ядром.

Вариант 2.

1. Электронная оболочка в атоме ²⁷₁₃Al содержит …

А.

27 электронов.

Б.

40 электронов.

В.

13 электронов.

Г .

14 электронов

2. β-излучение представляет собой поток…

А. ядер гелия.

Б. электронов.

В. протонов.

Г. нейтронов.

3. Определите число протонов и нейтронов в ядре атома фтора и число электронов в оболочке этого атома.

А. 7 протонов, 9 нейтронов, 7 электронов.

Б. 16 протонов, 9 нейтронов, 9 электронов.

В. 9 протонов, 7 нейтронов, 7 электронов.

Г. 9протонов, 7 нейтронов, 9электронов.

4. В опыте Резерфорда большая часть α-частиц свободно проходит сквозь фольгу, испытывая малые отклонения от прямолинейной траектории. Можно ли сделать вывод что…

А. α-частицы имеют массу больше массы атома.

Б. в атоме имеется ядро, размеры которого значительно меньше размеров атома.

В. заряд ядра равен заряду α-частицы.

Г. заряд электрона равен заряду α-частицы.

5. Между нуклонами (протонами и нейтронами ) действуют…

А. электромагнитные силы.

Б. электромагнитные и ядерные силы

В. гравитационные силы.

Г. ядерные силы.

6. Какое из трёх видов излучений (α, β или γ) обладает наибольшей проникающей способностью?

А. γ-излучение.

Б. β-излучение.

В α -излучение.

Г. Проникающая способность всех указанных видов излучений одинаковая.

7. В результате α-распада ядро изотопа золота ¹⁷⁹₇₉Au превращается в ядро…

А. ¹⁷⁷₇₅Re.

Б. ¹⁷⁵₇₇Ir .

В. ¹⁷⁸₇₉Au.

Г. ¹⁷⁹₈₀Hg.

8.Удельная энергия связи -это:

А.Энергия , необходимая для полного расщепления ядра на отдельные частицы.

Б. Энергия связи электронов с ядром.

В. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра.

Сдаются бланки ответов. Проверка и выставление оценок.

Слайд 2. Проверь себя.

№

1

2

3

4

5

6

7

8

Вариант 1

В

Б

Г

Б

Б

В

Г

А

Вариант 2

В

Б

Г

Б

Г

А

Б

В

Критерии оценок 7 правильных ответов-«5»;

5,6 правильных ответов-«4»;

4 правильных ответа- «3».

2) Проверка решения задачи с последующей записью в тетрадь.

Задача №1. Определите дефект массы ядра гелия , если энергия связи ядра равна 4.5 ∙10 Дж.

Дано: Решение:

Из формулы ∙определим дефект

массы ядра гелия:

_____________ ∆m= 5∙

∆m= ?

Ответ: ∆m= 5∙

Задача №2. При облучении ядер бора 11 протонами образуются ядра бериллия 8. Какие ещё ядра получаются в этой реакции? Напишите уравнение реакции. Сколько энергии выделяется или поглощается в этой реакции?

Дано

Решение

m _B=11,00931a.e.м.

m _H=1,00814 a.e.м.

m _Be=8,00531a.e.м.

m _He=4,00260a.e.м.

∆E-?

¹¹₅B + ¹₁H → ⁴₂He + ⁸₄Be,

до реакции m ₁=m _B + m _H

m ₁ =(11,00931+ 1,00814) а.е.м.= 01745 а.е.м.

после реакции m ₂=m _Bе + m _Hе

m ₂ =(8,00531+4,00260) а .е. м. = 12,00791 а. е. м.

∆m = m₁ - m₂

∆m =(12,01745 - 12,00791) a.e.м = 0,00954 а. е. м.

∆E = ∆mс² введем коэффициент взаимосвязи массы и

энергии

∆E = 931 МэВ/ а. е. м. * 0,00954 а. е.м.= 8,9 МэВ

т.е энергия выделяется.

Ответ: ∆E =8,9 МэВ.

2. Объяснение нового материала с повторением предыдущего.

Вопрос к классу.

Что называется ядерной реакцией?

Вопрос к классу.

Ядерными реакциями называются изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

(отвечает Лапина К.)

Задание и вопрос к детям:

• Записать уравнение реакции.

• ( Отвечает Козлов Иван)

Слайд 3.

- Сначала появляется изображение картины реакции частицами

Задание и вопрос к детям:

• Записать уравнение реакции.

• ( Отвечает Козлов Иван)

Впервые искусственное превращение ядер осуществил Э. Резерфорд в 1919 году.

В камере Вильсона он наблюдал превращение азота в изотоп кислорода, при этом испускался протон.

α-частица ,захватывается ядром азота , что приводит к испусканию протона , а ядро азота превращается в изотоп кислорода.

- После ответов детей выплывает справа ответ (верхняя правая строка) и дополнительные сведения о выделившейся энергии.

Вопрос к классу:

При каком условии может произойти ядерная реакция?

Ответ: ( Колпашников С).

При условии, что частица вплотную подойдёт к ядру и попадёт в сферу действия ядерных сил .

Одноимённые частицы отталкиваются друг от друга. Нужно, чтобы ядерные силы были больше сил отталкивания. Для этого частицам с помощью ускорителей сообщается большая кинетическая энергия.

Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932г.

Кинетическая энергия двух образовавшихся ядер гелия оказалась больше энергии поступившего в реакцию протона на ∆E =7,3МэВ. Превращение ядер сопровождалось изменением их внутренней энергии, при этом выделялась огромная энергия.

Вопрос к классу:

Когда и кем был открыт нейтрон?

Ответ: (Шилов С.)

В 1932г. Д.Чедвиком при бомбардировке бериллия α-частицами происходит следующая реакция:

Появилась новая частица не имеющая электрического заряда- нейтрон.

Относительная масса равна 1.

Нейтрон - нестабильная частица : свободный нейтрон за 15 минут распадается на протон, электрон и нейтрино, частицу не имеющую массы покоя.

Слайд 4. Объяснение учителя:

Открытие нейтрона было поворотным пунктом в исследовании ядерных реакций. Так как нейтроны лишены заряда, то они беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают в них изменения.

Ядерные превращения вызываются не только быстрыми ,но и медленными нейтронами. Причём эти медленные нейтроны в большинстве случаев оказываются более эффективными, чем быстрые. Поэтому быстрые нейтроны целесообразно предварительно замедлять.

В 1938 году немецкие учёные О. Ган и Ф. Штрассман установили , что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы Менделеева: барий, криптон.

Однако правильное истолкование деления ядра урана ,захватившего нейтрон, было дано в начале 1939 года англ. физиком О. Фришем совместно с австрийским физиком Л. Мейтнером.

Деление ядра возможно благодаря тому, что масса покоя тяжёлого ядра больше сумм масс покоя осколков , возникающих при делении.

Поэтому происходит выделение энергии , эквивалентной уменьшению массы покоя , сопровождающему деление.

Вопрос к классу:

Что называется удельной энергией связи?

(ответ: энергия связи , приходящаяся на каждый кулон )

Удельная энергия связи ядер атомов ,занимающих в периодической системе последние места(А200Мэв), примерно на 1 Мэв меньше удельной энергии связи в ядрах , находящихся в середине периодической системы(А100Мэв). Поэтому процесс деления тяжёлых ядер на ядра элементов средней части периодической системы является энергетически выгодным.

При делении ядра энергия связи , приходящаяся на каждый кулон, увеличивается на 1 Мэв и общая выделяющаяся энергия должна быть огромной - порядка 200 Мэв. Ни при какой другой реакции ( не связанной с делением) столь больших энергий не выделяется.

Механизм деления ядра урана- 235.

- Возьмем ядро урана. При попадании нейтрона в ядро происходит возбуждение в ядре, ядро начинает деформироваться, приобретать вытянутую форму, вследствие действия сил внутри ядра. Наряду, с большими электростатическими силами отталкивания между протонами, действуют ядерные силы притяжения. Когда кулоновские силы отталкивания станут больше, ядро разлетится на два осколка и произойдет испускание нейтронов. Под действием кулоновских сил отталкивания образовавшиеся осколки разлетаются со скоростями , равными 1/30 скорости света.

Испускание нейтронов в процессе деления.

Фундамен­тальный факт ядерного деления - испускание в процес­се деления двух-трех нейтронов. Именно благодаря это­му оказалось возможным практическое использование внутриядерной энергии.

Понять, почему происходит испускание свободных ней­тронов, можно исходя из следующих соображений. Изве­стно, что отношение числа нейтронов к числу протонов в стабильных ядрах возрастает с повышением атомного номера. Поэтому у возникающих при делении осколков относительное число нейтронов оказывается большим, чем это допустимо для ядер атомов, находящихся в середине таблицы Менделеева. В результате несколько нейтронов освобождается в процессе деления. Их энергия имеет раз­личные значения - от нескольких миллионов электрон-вольт до совсем малых, близких к нулю.

Деление обычно происходит на осколки неравной мас­сы. Осколки эти сильно радиоактивны, так как содержат избыточное количество нейтронов. В результате серии последовательных (3-распадов в конце концов получаются стабильные изотопы.

Итак,

Деление атомных ядер тяжелых элементов возможно благодаря тому, что удельная энергия связи этих ядер меньше удельной энергии связи ядер элементов, находя­щихся в середине периодической системы Менделеева.

ЦЕПНЫЕ ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

При делении ядра урана освобождаются два-три нейтрона. Это позволяет осуществлять цепную реакцию де­ления урана.

Любой из нейтронов, вылетающих из ядра в процессе деления, может, в свою очередь, вызвать деление сосед­него ядра, которое также испускает нейтроны, способные вызвать дальнейшее деление. В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция.

Ядерной цепной реакцией называется реак­ция, в которой частицы, вызывающие ее (нейтроны), образуются как продукты этой реакции.

Цепная реакция сопровождается выделением энергии. При делении каждого ядра выдел и 200 МэВ. При полном же делении всех ядер в 1 г урана, выделяется энергия эквивалентная энергии, получаемой при сгорании 3т угля или 2,5 т нефти.

Но для осуществления цепной реакции нельзя использовать любые ядра, делящиеся под влиянием нейтронов. В силу ряда причин из ядер, встречающихся в природе | пригодны лишь ядра изотопа урана с массовым числом 235, т. е.

Изотопы урана. Естественный уран состоит в основном

из двух изотопов: и . Но изотоп составляет всего 1/140 долю от более распространенного изотопа.

Ядра делятся под влиянием как быстрых, так и медленных нейтронов. Ядра могут делится под влиянием нейтронов с энергией более 1 МэВ. Такую энергию имеют примерно 60% нейтронов, появляющихся при делении. Однако примерно лишь один нейтрон из пяти производит деление Остальные нейтроны захватываются этим изотопом, не производя деления. В результате цепная реакция с использованием чистого изотопа невозможна. \

Коэффициент размножения нейтронов.

Для течения цепной реакции нет необходимости, чтобы каждый нейтрон обязательно вызывал деление ядра. Необходимо лишь, чтобы среднее число освобожденных нейтроном в| данной массе урана не уменьшалось с течением времени

Это условие будет выполнено, если коэффициент размножения нейтронов k больше или равен единице.

Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо «поколении» к числу нейтронов предшествующего «поколения». Под сменой «поколений» понимают деление ядер, при котором погло­щаются нейтроны старого «поколения» и рождаются но­вые нейтроны.

Если k≥1, то число нейтронов увеличивается с течени­ем времени или остается постоянным и цепная реакция идет. При k<1 число нейтронов убывает и цепная реак­ция невозможна.

Коэффициент размножения определяется четырьмя фактами:

1) захватом медленных нейтронов ядрами после­дующим делением и захватом быстрых нейтронов ядра­ми и также с последующим делением;

2) захватом нейтронов ядрами урана без деления;

3) захватом нейтронов продуктами деления, замедли­телем (о нем сказано дальше) и конструктивными эле­ментами установки;

4)вылетом нейтронов из делящегося вещества наружу.

Лишь первый процесс сопровождается увеличением

числа нейтронов (в основном за счет деления ). Все

остальные приводят к их убыли. Цепная реакция в чистом изотопе невозможна, так как в этом случае k<1

(число нейтронов, поглощаемых ядрами без деления, больше числа

числа нейтронов, вновь образующихся за счет деления ядер).

Для стационарного течения цепной реакции коэффициент размножения нейтронов должен быть равен единице.

Это равенство необходимо поддерживать с большой точностью. Уже при к = 1,01 почти мгновенно произойдет взрыв.

Образование плутония.

Важное значение имеет не вы­зывающий деления захват нейтронов ядрами изотопа . После захвата образуется радиоактивный изотоп с периодом полураспада 23 мин. Распад происходит с испусканием электрона и возникновением первого трансуранового элемента - нептуния:

Нептуний 5 -радиоактивен с периодом полураспада около двух дней. В процессе распада нептуния образует­ся следующий трансурановый элемент - плутоний:

Плутоний относительно стабилен, так как его период полураспада велик - порядка 24 000 лет. Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под вли­янием медленных нейтронов, так же как и изотоп . Поэтому с помощью плутония также может быть осуще­ствлена цепная реакция, которая сопровождается выде­лением громадной энергии.

При цепных ядерных реакциях выделяется огромная энергия. Эта реакция возможна благодаря тому, что при делении ядер испускается два-три нейтрона. Большая часть выделяемой энергии приходится на кинетическую энергию осколков делящихся ядер.

-Учитель дает объяснение цепной ядерной реакции по схеме:

- Нейтрон - ядро.

- Осколки - испускание нейтронов.

- Деление соседнего ядра под действием нейтронов.

-Определение цепной ядерной реакции: Цепной ядерной реакцией называется реакция, в которой частицы вызывающие её, нейтроны образуются как продукт этой реакции.

- Использование замедлителя нейтронов в атомных реакторах.

- Получение новых изотопов - новое поколение нейтронов.

- Этот процесс происходит с выделением энергии в пределах 200 МэВ. Если взять 1кг урана 235, что соответствует 2,3*10⁷кВт ч, для этого понадобились бы 93 вагона угля или 67 цистерн жидкого топлива по 30 тонн в каждой. Этой энергии достаточно для освещения на 1 час Центрально - Черноземного района. Поэтому экономично использование урана, но и очень опасно.

-Для стационарного течения цепной реакции, коэффициент размножения нейтронов, k=1 это равенство нужно поддерживать с большой точностью при k=1,01 может произойти взрыв.

• Записать уравнения реакции.

Слайд 6. Проводим физкультминутку.

3. Закрепление знаний. 1 ученик у доски решает задачу, остальные отвечают на вопросы.

1) Вопросы для закрепления знаний.

• Почему нейтроны оказываются наиболее удобными частицами для бомбардировки атомных ядер?

• Что происходит при попадании нейтрона в ядро урана 235?

• Какие частицы образуются при делении ядер урана?

• Какие необходимы условия для протекания цепной ядерной реакции?

2) Решение задачи у доски. Разбор задачи и запись в тетрадь.

Задача №2. При реакции деление ядер урана 235 выделилось 1,204 *10²⁶ МэВ энергии. Определить массу распавшегося урана, если при делении одного ядра выделяется 200 МэВ энергии.

Дано:

Е= 1,204*10²⁶ МэВ

∆Е= 200 МэВ

N_A= 6,02*10²³ моль^-1

M (U) = 235*10^-3кг*моль ^-1

________________________

m - ?

Решение

число распавшихся атомов

N= (mN_A)/M , N= E/∆E ; (mN_A)/M= E/∆E

m = EM/∆EN_A

1,204 *10²⁶ МэВ *235*10³ моль^-1кг

m =^{- --------------------------------------------------------------------- =}

200 МэВ * 6,02*10^-23 моль^-1

= 0,235кг.

Ответ: 235г.

4. Домашнее задание.

Дифференцированные задачи раздаются учащимся (на выбор учителя).

Слайд 7.

§ 108-109. Подготовить доклады (по выбору учащихся).

1. И.В. Курчатов выдающийся советский физик.

2. Первый атомный реактор в СССР и Европе 1946г.

5. Подведение итогов урока (выставление оценок).

Нетрадиционные формы урока (моделирование процессов с помощью компьютера) позволяет учителю сделать учащихся в соучастников педагогического процесса обучения.

Впервые искусственное превращение ядер осуществил Э. Резерфорд в 1919 году.

В камере Вильсона он наблюдал превращение азота в изотоп кислорода, при этом испускался протон.

Α-частица ,захватывается ядром азота , что приводит к испусканию протона , а ядро азота превращается в изотоп кислорода.

Вопрос:

При каком условии может произойти ядерная реакция?

Ответ:

При условии, что частица вплотную подойдёт к ядру и попадёт в сферу действия ядерных сил .

Одноимённые частицы отталкиваются друг от друга. Нужно ,чтобы ядерные силы были больше сил отталкивания. Для этого частицам с помощью ускорителей сообщается большая кинетическая энергия.

Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932г.

Кинетическая энергия двух образовавшихся ядер гелия оказалась больше энергии поступившего в реакцию протона на ∆E =7,3МэВ. Превращение ядер сопровождалось изменением их внутренней энергии, при этом выделялась огромная энергия.

Вопрос: Когда и кем был открыт нейтрон?

Ответ:

В 1932г. Д.Чедвиком при бомбардировке бериллия α-частицами происходит следующая реакция:

Появилась новая частица не имеющая электрического заряда- нейтрон.

Относительная масса равна 1.

Нейтрон - нестабильная частица : свободный нейтрон за 15 минут распадается на протон, электрон и нейтрино, частицу не имеющую