(共57张PPT)
第2节 核能
教学目标
了解原子、原子核的结构。
1
知道核能的优点和可能带来的问题，了解我国和世界核能利用新进展。
2
了解核裂变、核聚变。
3
01
课堂导入
①回忆核电站工作时的能量转化
我们知道，20世纪40年代，科学家发明了可以控制核能释放的装置——核反应堆，把核能转化为电能，拉开了以核能为代表的新能源利用的序幕。
核电站的原理示意图
核电站可以把核能转化为电能，核能是怎样来的呢？
②阅读下列材料
二战后期，美国在广岛和长崎甩下两枚原子弹，让数十万日本民众死亡，几百万人无家可归。原子弹摧枯拉朽的破坏力，将众多建筑物夷为平地，城市变成一片废墟；在这场灾难中，只有少部分人幸存下来，大部分要么被冲击波杀害，要么被核辐射杀害，对身体的影响超乎想象。
原子弹为什么会突然放出那么大的能量？
课堂导入
1964年10月16日15时，我国第一颗原子弹爆炸成功。
我国第一颗氢弹
爆炸时的情景
我国第一颗原子弹爆炸时的情景
第2节 核能
今天我们一起了解这些知识。
课堂导入
③我国研制的第一颗原子弹、氢弹
你知道氢弹和原子弹的原理相同吗？
1967年6月17日上午8时20分，在我国西部地区新疆罗布泊上空，我国第一颗氢弹爆炸试验成功。
核 能
一、核能
十九世纪末(1897年），英国物理学家汤姆生在对阴极射线的研究中发现了带负电的电子，并得出电子是所有物质中原子的组成部分。
汤姆生于1906年获得诺贝尔物理学奖
原子模型的建立过程
① 电子的发现
我们知道，分子是由原子组成的，那么，原子是由什么组成的呢？ 我们看看物理学家研究的历史与结论吧！
由于电子是带负电的，而原子又是中性的，因此物理学家推断出原子中还有带正电的物质。
② 原子核的发现——α粒子散射实验
英国物理学家卢瑟福在1898年发现了α射线。他用准直的α射线轰击厚度为微米的金箔时，发现大多数粒子散射角度很小，但有少数α粒子偏角很大。
通过对电荷，质量和偏转角度等的运算，1911年提出了原子结构的行星模型。即原子是由原子核和核外电子组成的。
一、核能
原子核
核外电子
原子
欧内斯特·卢瑟（1871年8月30日-1937年10月19日），英国著名物理学家，知名为原子核物理学之父。学术界公认他为继迈克尔·法拉第之后最伟大的实验物理学家。
电子云
③ 原子的“电子云模型”
1926年奥地利物理学家埃尔温·薛定谔提出“电子云模型”。该模型中， 电子在原子核外很小的空间内做高速运动，其运行没有固定的规律，电子分层排布，接近现代人类对原子结构的认识。
埃尔温·薛定谔（1887年8月—1961年1月），奥地利物理学家，量子力学奠基人之一。因发展了原子理论，和狄拉克共获1933年诺贝尔物理学奖。
一、核能
电子
原子核
原子核还能再分吗？随着历史的发展，人们对原子内部结构的研究逐步深入。
1919年，卢瑟福用速度是20000千米／秒的“子弹”—α粒子去轰击氮、氟、钾等元素的原子核时，发现在原子核中还存在一种带正电的质量比电子大很多的微粒——质子。
质子所带正电荷的数量＝电子所带负电荷的数量
原子核
①质子的发现
一、核能
质子
原子核
中子的概念是由英国物理学家卢瑟福提出，中子的存在是1932年英国物理学家詹姆斯·查德威克用镭的α-射线轰击铍原子时的实验中证实的。
物理学家在实验中又进一步发现中子的质量与质子相同、但是不带电。
②中子的发现
詹姆斯·查德威克，（1891年10月20日-1974年7月24日），英国物理学家，于1935年获得诺贝尔物理学奖。
一、核能
中子
原子核
一、核能
③原子核的组成
原子核
（带正电）
质子（带正电）
中子（不带电）
中子
质子
原子核（atomic nucleus），简称“核”，位于原子的核心部分，由质子和中子两种微粒构成。原子核带正电（即质子所带的正电），中子不带电。
原子核
（带正电）
核外电子
（带负电）
质子（带正电）
中子（不带电）
原子
一、核能
原子的组成及带电情况
中子
质子
电子
原子核极小，它的直径在10-16m～10-14m之间，体积只占原于体积的几千亿分之一，在这极小的原子核里却集中了99.95％以上原子的质量。
形象来说，就是地球和乒乓球的比例, 大约一比一千亿。
原子的直径：约10-10米
原子核的直径：约10-15米
一、核能
原子与原子核的大小比较
典例1. 下列关于原子和原子核的说法中正确的是（ ）
A．原子核位于原子的中央，带负电荷
B．原子核外的电子带负电，并固定在某一位置
C．原子核带正电，电子带负电
D．原子核内有带正电的质子和带负电的中子
C
正
高速运动
不带电
一、核能
一、核能
但是，一旦质量较大的原子核发生分裂（裂变）或者质量较小的原子核相互结合（聚变）时，就会释放出惊人的能量，这就是核能。
质子和中子依靠强大的核力紧密地结合在一起。要使它们分裂或结合都是极其困难的。
核能
释放核能
的方式
核裂变
核聚变
核裂变
核聚变
裂 变
二
二、裂变
质量较大的原子核在中子轰击下分裂成2个新原子核，并释放能量的过程叫做裂变。
裂变
1kg铀全部裂变，释放的能量超过2000t煤完全燃烧时释放的能量。
1934至1938年，科学家先后用中子轰击质量比较大的铀 235原子核，发现可以使其发生裂变。
铀矿石
二、裂变
能量
铀核
新原子核
① 1934至1938年，科学家先后用中子轰击质量比较大的铀235原子核，使其发生了裂变，发现一个核分裂成两个质量中等大小的原子核，同时释放出大量的能量，奇妙的是，铀235核在分裂成两个别的原子核的时候，又放出2至3个中子。
二、裂变
②发生裂变的条件
发生裂变的条件是用中子轰击铀核。
当外界中子停止轰击铀核时，裂变也就停止了。怎样才能让裂变继续下去呢？
铀核
将火柴搭成下图所示结构，点燃第一根火柴后，会发生什么？
③链式反应
二、裂变
第一根火柴烧完后，会点燃中间的2根火柴， 这2根火柴燃烧完后，又会引起右面4根火柴的燃烧，如果按照这个结构继续下去，被点燃的火柴会越来越多…
同样的道理，当中子轰击铀核时，铀核发生裂变，释放大量核能的同时产生出几个新的中子，这些中子又会轰击其他铀核……于是就导致一系列铀核持续裂变，并释放出大量核能。这就是裂变中的链式反应。
③链式反应
二、裂变
中子
铀核
视频欣赏——《链式反应》
二、裂变
二、裂变
裂变的应用——利用核能发电
①核反应堆
核电站的核心设备是核反应堆。 1942年，
人类利用核反应堆第一次实现了可控制的铀核裂变。
中国钍燃料核反应堆
核反应堆是原子核发生链式反应的场所，是能维持可控自持链式核裂变反应，以实现核能利用的装置。核反应堆通过合理布置核燃料，使得在无需补加中子源的条件下能在其中发生自持链式核裂变过程。
核反应堆内部
二、裂变
当铀235的原子核受到外来中子轰击时，一个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核，同时放出2—3个中子。这裂变产生的中子又去轰击另外的铀235原子核，引起新的裂变。如此持续进行就是裂变的链式反应。链式反应产生大量热能，用循环水（或其他物质）导出的热量可以使水变成水蒸气，推动汽轮机发电。
核反应堆示意图
视频欣赏——《核反应堆的工作原理》
二、裂变
核能
内能
内能
机械能
电能
核
裂变
蒸汽发生器
发
电机
②核电站的能量转化情况
二、裂变
汽轮机
是我国自主设计、制造的
具有世界先进水平的核电技术
二、裂变
③我国的一些核电站
④核能发电的利与弊
二、裂变
利 弊
发电成本低 核泄漏污染大
空气无污染 产生放射性废料
不排放二氧化碳 排热量大
消耗核能源少 建厂成本大
二、裂变
链式反应如果不加以控制，大量原子核就在一瞬间发生裂变，释放出极大的能量。
在人类实现可控核裂变大约三年后，即1945年，利用不加控制的核裂变制造的毁灭性武器——原子弹爆炸了。
裂变的应用——原子弹
典例2. 关于裂变反应，下列说法中错误的是（ ）
A．所有原子核都能发生裂变反应释放能量
B．裂变反应是重原子核吸收中子后发生的
C．原子弹是利用链式反应释放的能量
D．核电站是利用可控链式反应释放的能量
解析：只有重核分裂成质量较小的核，才能释放出核能，所以A选项说法错误，符合题意；B、C、D说法都是正确的，不符合题意。
A
二、裂变
聚 变
三
形成氦核
三、聚变
氘核
氚核
氘核与氚核在超高温下结合形成氦核和一个中子，也会释放大量核能。这一过程就是聚变，也称为热核反应。
超高温
发生条件
聚变
被释放的中子
能量
聚变过程
氢弹爆炸产生的蘑菇云
氘核和氚核都属于氢核的一种。大量氢核的聚变，可以在瞬间释放惊人的能量。氢弹利用的就是聚变瞬间释放的能量。
三、聚变
裂变的应用——氢弹
现阶段科学家还没有找到持续可供使用的控制核聚变的方法。海水中蕴藏着丰富的氘核，通过可控聚变来利用核能，有望彻底解决人类能源问题！
三、聚变
1升海水所含氘产生的聚变能等同于300升汽油所释放的能量。海水中氘的储量可使人类使用几十亿年。
裂变 聚变
定义
条件
释放核能大小
是否可以控制
应用
较大原子核分裂为
较小原子核的过程
用一定速度的中子
轰击较大原子核
质量很小的原子核结合成
较大原子核的过程
超高温
巨大
更加巨大
可以控制链式反应速度
目前不能人为控制
核电站、原子弹
氢弹
三、聚变
裂变与聚变的比较
典例3.下列说法不正确的是（ ）
A. 原子弹是根据链式反应的原理制成的
B. 氢弹爆炸是不可控制的热核反应
C. 核反应堆中的链式反应是不可控制的
D. 氢弹是利用核聚变原理制造的
解析：核反应堆中发生的是可控制的链式反应，所以C不正确。
C
三、聚变
三、聚变
①反应堆内的铀核发生裂变时，会释放能量，同时也会产生射线。如果射线泄漏到外面，会对人和动物产生严重伤害。
切尔诺贝利核电站事故于1986年4月26日发生在乌克兰境内的普里皮亚季市，该电站第4发电机组，核反应堆全部炸毁，大量放射性物质泄漏，成为核电时代以来最大的事故。
辐射危害严重，事故后有31余人当场死亡，200多人受到严重的放射性辐射，之后15年内有6-8万人死亡，13.4万人遭受各种程度的辐射疾病折磨，方圆30公里地区的11.5万多民众被迫疏散。
核电站和核废料处理
三、聚变
②科学家们制定了严格的安全措施和安全标准。
第二道屏障是壁厚为175毫米钢板制成的反应堆压力容器以及相应的管道设施，它把反应堆冷却剂包容在里面，防止有放射性的反应堆冷却剂外泄。
第三道屏障是反应堆安全壳，它是高72.5米、外径38米、厚1米的钢筋混凝土制成的圆柱形建筑，内衬6毫米的钢板。安全壳也能抵御外部破坏。
第一道屏障是锆-4合金的燃料包壳，它把核燃料及其裂变产物封闭起来。
以秦山核电站为例，它有三道屏障，用于防止放射性物质的外泄。
三、聚变
核电站使用过的核燃料成为核废料。由于核废料仍具有放射性，对环境会造成相当大的危害，因此要将核废料深埋到人迹稀少的沙漠地带。
美国尤卡山核废料处置
③核废料的处理
三、聚变
典例4. 关于核聚变，下列说法正确的是（ ）
A．原子核必须在超高温下才能发生聚变
B．任何两个原子核都可以发生聚变
C．原子弹爆炸时释放的巨大能量来自核聚变
D．目前人类已经建成核电站，利用核聚变发电
√
×
×
×
A
核裂变
核裂变
自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素—氘与氚的聚变，不是任意的原子核就能发生核聚变
课堂总结
四
核能
裂变
聚变
特点
应用
特点
应用
核电站、原子弹
氢 弹
原子结构
四、课堂总结（一）
原子核
电子
质子
中子
链式反应不可控制
核能的优、缺点
核能的优点 （1）补充人类能源的不足，节约常规能源；
（2）解决能源分布不均衡的问题；
（3）不会造成空气污染。
四、课堂总结（二）
核能的缺点 （1）核能属于一次能源，会越用越少；
（2）核能存在核污染，一旦发生核泄漏，会对地球生物造成严重的危害；
（3）治理核废料代价较高。
四、课堂总结（三）
视频总结——《核能》
课堂练习
五
1． 关于原子核的组成，下列说法正确的是( )
A．原子核由质子、中子和电子组成
B．原子核是最小粒子，不可再分
C．原子核由质子和中子组成
D．原子核由质子和电子组成
C
五、课堂练习
解析：原子核是由质子和中子组成。
2．下列关于核能的说法正确的是( )
A．核能是电子绕原子核运动时的动能
B．核能是原子核的内能
C．核能是原子核发生分裂或结合时释放的能量
D．核能是原子核内的化学能
C
解析：根据核能的定义可知：核能是原子核发生分裂或结合时释放的能量。
五、课堂练习
3. 氦(He)原子的原子核由两个质子和两个中子组成，则氦原子核外的电子数为( )
A．1个 B．2个
C．4个 D．6个
解析：根据原子结构的核式模型：原子中心是带正电的原子核，带负电的电子绕这个原子核高速旋转，中子不带电，质子带正电，核内正电荷数与核外电子数相等。
所以氦原子核外的电子数为2个。
B
五、课堂练习
4. 下列说法中正确的是 ( )
A．裂变和聚变都释放内能
B．聚变是在中子轰击下引发的
C．裂变是在超高温下进行的
D．以上说法都不对
解析：裂变和聚变都要释放出巨大的核能，而不是内能；重核裂变是在中子的轰击下引发的，而轻核聚变是在超高温下进行的．
D
五、课堂练习
5．如图所示是一种核反应的过程图，这种核反应的原理可用于制造( )
A．原子弹 B．氢弹
C．导弹 D．普通炮弹
B
解析：该反应是核聚变，可用于制造氢弹。
五、课堂练习
6．著名核物理学家、“两弹一星”功勋于敏院士获2014年度国家最高科学技术奖。他在氢弹原理突破中解决了热核武器物理中一系列基础问题，被誉为“中国氢弹之父”。下列属于氢弹原理的是( )
A．核聚变 B．核裂变
C．先聚变后裂变 D．先裂变后聚变
A
7. 以下是核电站工作情况的方框图，请在空白的方框内填写装置的种类，并在下面的括号内填写这种装置中发生了怎样的能量转化。
应用 机
核反应堆
应用机
输电线输出电能
( )
( )
( )
蒸汽轮
发电
内能转化
为机械能
机械能转
化为电能
核能转化为
蒸汽的内能
五、课堂练习
8. 核电站不排放温室气体，对低碳经济贡献很大，但如果发生安全事故，会造成巨大的破坏，“3·11”日本核电站事故为核能的利用敲响了警
钟。实际上，人类在关注能源安全的同时，努力开发新能源，以获得清洁、安全的能源。
（1）如图所示为核电站发电流程图。在核电站的发电过程中，能量转化顺序是 、内能、机械能、 。
核能
电能
五、课堂练习
（2）2014年是我国第一颗原子弹成功爆炸50周年。目前核能已经被广泛和平利用，其中核电站是利用铀核 （填“裂变”或“聚变”）时释放出大量的核能来发电的，核能属于 （填“一次”或“二次”）能源。
裂变
一次
（3） 如果核电站每年需要50t的核燃料，而同等规模火电站每年需要6×106t的煤炭，那么6×106t的煤炭完全燃烧放出的热量是 J （煤炭的热值为3×107 J/kg）。
（4） 核电站的核废料具有 性，对环境会造成相当大的危害，因此要将核废料深埋到人迹稀少的沙漠地带。
1.8×1017
放射
五、课堂练习
9. 位于连云港市海滨的田湾核电站，至今已有两台机组先后并网发电。
①先期并网发电的两台机组年发电量约为1.6×1010 kW·h，这些电能相当于电厂完全燃烧多少吨标准煤放出的能量？（标准煤的热值为3.0×107 J/kg）
②与电厂的火力发电相比，核能发电具有哪些优点？（说出两点即可）
①根据Q＝W＝1.6×1010 kW·h＝1.6×1010×3.6×106 J＝5.76×1016 J，
所以 m＝＝＝1.92×109 kg＝1.92×106 t
②环境污染小、适合化石能源缺乏的地区(合理即可).
五、课堂练习
10. 如图是我国目前能源使用比例图．其中核能是我国正在大力开发和利用的一种有前途的能源，下列说法正确的是（ ）
A．核电站利用核能发电，将核能转化为电能
B．现在的核电站是利用聚变反应来产生电能
C．核能是我国目前消耗的主要能源
D．核电站产生的核废料对环境不会造成污染
解析：核电站主要是利用核裂变进行发电的，是将核能转化为电能的过程，A正确，B错误；化石能源是我国当今主要的能源，C错误；核电站产生的核废料会对环境造成污染，D错误．
A
五、课堂练习
