高中物理粵教版（2019）选择性必修第三册5.5 裂变与聚变 教案

第四课时 《裂变和聚变》教学设计
学习目标
1.知道重核裂变和轻核聚变，了解链式反应，体会用物理模型分析问题。
2.了解可控热核聚变反应，了解核技术应用对人类生活和社会发展的影响。
3.了解人类探索粒子的历程，感受科学家的责任担当。
一. 新课引入：
对原子核进一步认识：
1. 原子核蕴藏着巨大的能量。 怎样才能将原子核蕴藏的能量有效地释放出
来造福于人类呢，我们必须要掌握原子核的特点和一般规律。
2. 元素周期表前面元素的原子核质量小属于轻核，其质子数等于中子数。比
如
4
2
He和1248Si ；后面元素的原子核属于重核，一般中子数要多于质子数。比如
197 Au 和238 U 。
79
92
3. 83 号元素铋之后的原子核就不稳定了，它们会自发地裂变或衰变；92 号
元素铀之后的原子核就十分不稳定了，很难在自然状态下存在,比如 Pu。
244
94
原子核中的质子数又称为原子序数，这是因为它与元素周期表中元素的排列
序号一致，一般排在周期表前面的轻核，其质子和中子数相等（N=Z），例如，
氨4的原子核有2个质子和2个中子，硅28各有14个质子和中子。但是大多数重核是
中子多于质子，例如，金197有79个质子和118个中子，铀238有92个质子和146个
中子。
排在第83号元素铋之后的原子核不稳定，它们会自发裂变或衰变成更轻的原
子核，排在第92号元素铀之后的原子核十分不稳定，很难在自然状态下存在。如
第94号元素钚是人工制造出来的，主要用于核武器，目前在自然界中尚没有找到
4. 原子核比结合能的大小决定了原子核的稳定性。
从曲线可以看出，重核向中等质
量的核方向发生核反应会释放出能
量。轻核向中等质量的核方向发生核
反应也会释放出能量，中等质量的核
向重核方向发生反应要吸收能量。
一. 新课讲授：
一.核裂变与链式反应
1．核裂变：核物理中，把重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子
核，并放出核能的过程，叫核裂变。
1
2. 铀核的裂变
1）发现：1938 年，德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，
发现了铀核的裂变.
2）裂变产物：多种多样
3）铀核的典型裂变方程
29325 U 0
1
n 144 Ba 89Kr 30
n
1
56
36
铀核的裂变是放能反应，一个铀核释放的能量是微不足道的，但物质所含原
子核的数目是巨大的，单位质量的铀核释放的能量是十分惊人的。从上面的核反
应方程可以看出，一个铀核俘获一个中子，生成两个中等质量的核，又释放出 3
个中子，3 个中子如果再被铀核所俘获，又会引起 3 个铀核发生裂变，这样一个
铀核引起 3 个铀核裂变，3 个铀核引起 9 个铀核裂变，9 个铀核引起 27 个铀核裂
变，以此下去，这种反应就会以指数冥的形式继续下去，就像树枝的树丫一样分
裂，我们这样的反应叫链式反应。
3.链式反应
①定义：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂
变，且能不断继续下去，这样的核反应叫链式反应
在天然铀中，主要有两种同位素，其中99.3%是铀238，0.7%是铀235.这两种
同位素与中子的作用很不相同。铀235俘获各种能量的中子时都可能发生裂变。铀
238只有俘获能量大于1MeV的中子才可能发生裂变。能量低于1MeV的中子跟铀
238基本上只发生弹性碰撞。因此。为了使裂变的链式反应容易发生，最好是利用
高浓度铀235.
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，可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面
去了。能够发生链式反应的铀块最小体积叫作它的临界体积。如果铀235的体积超
过了它的临界体积，就会立即引起铀核的链式反应，在很短的时间内会释放出大
量的核能，发生猛烈的爆炸，原子弹成是根据这个原理制成的。
②必要条件：核裂变物质的体积大于或等于临界体积
2
中国原子能科学之父钱三强
1947 年在实验中发现铀核也可能分裂成三部分和四部分。上世纪五十年代领
导建成中国第一个重水型原子反应堆和第一台回旋加速器。又组织联合攻关，为
第一颗原子弹和氢弹的研制成功作出了重要贡献。
二.核聚变及受控热核反应
1.核聚变：
1）定义：轻核结合成质量较大的原子核的反应叫聚变.
2
1H
3
1H
4
2
He 0
n 17.6MeV
1
该过程约释放出 17.6MeV 的结合能.聚变时每个核子平均释放的结合能要比
重核裂变时每个核子平均释放的结合能大 3~4 倍。
2）发生条件：
要使原子核发生聚变，必须使它们接近到 10-15m，也就是接近到核力能够发生
作用的范围、由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服电
荷之间强大的静电斥力。这就要把它们加热到很高的温度，使原子核具有很大的
动能。理论上，物质达到几百万摄氏度以上的高温时，小部分原子核就具有足够
的动能，能够克服相互间的库仑斥力，在互相碰撞中接近到可以发生聚变的程度。
因此，核聚变又叫作热核反应
热核反应在宇宙中是很普遍的现象。在太阳和许多恒星内部，温度都高达1000
万摄氏度以上，在那里热核反应激烈地进行着。太阳每秒辐射出来的能量约为
3.8×10%J，这都是通过热核反应产生的。地球只接受了其中的二十亿分之一，就
孕育出了地球上丰富多彩的生命。
3）实例
①宇宙天体：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应
堆。
②核武器：氢弹，由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热
核爆炸。
2．核聚变与核裂变相比有很多优点
1) 轻核聚变产能效率高。
2) 地球上核聚变燃料的储量丰富。
3) 轻核聚变更为安全、清洁。
热核反应释放的能量，现在人们还不能控制它，也不能加以利用，这种能量
现在只具有破坏性，不具有建设性。怎样让这种核能为人类所控制，平缓地释放
造福于人类，这就是受控热核反应课题所研究的内容。现在物理学家经过研究发
现，
3．实现可控核聚变的两种方案： 磁约束和惯性约束。
三.核能利用
1.核电站：
1）核电站工作流程，简单地说，核反应堆释放核能，转变为内能，更转变为电能。
3
2）核反应堆：
①铀棒： 由天然铀或浓缩铀(铀 235 的含量占 2%～4%)制成，它是核反应堆的燃料。
热中子反应堆用的铀棒是天然铺或浓缩铺（其中铺235的含量约为3%）。由
于裂变产生的是速度很大的快中子，很容易被铀238俘获而不发生裂变，所以必须
设法使中子在碰上铀238前降低速度。为此在轴棒的周围放上原子量比较小又不吸
收或很少吸收中子的物体，如石墨、重水，快中子跟这些物体的原子核碰撞后，
能量减小，变成慢中子，或称热中子.这种用来使中子减速的物体叫作慢化剂。慢
中子碰到铀238时会弹射回来，却容易被铀235俘获而引起裂变，为了调节中子数
目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。镉吸收中子的能力很强，
当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度
就会慢一些；当反应过于缓慢，达不到所需功率时，将镉棒插入浅一些，让它少
吸收一些中子，链式反应速度就会增大。这种镉棒被称为控制棒。用电子仪器自
动地调节控制棒，就能使反应堆保持一定的功率输出而安全地运行.
②石墨(或重水)：石墨(或重水)作为慢化剂， 附着在铀棒周围，使反应生成的快
中子变为慢中子，便于被铀 235“捉”住，发生核裂变。
③镉棒： 主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫作控制棒。
④水泥防护层： 屏蔽射线，防止放射性污染。
3）核电站优点：
① 消耗的核燃料少
4
② 污染小
一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀 30 吨左右，而同样功率的火电
站每年要消耗煤 250 万吨。核电站对环境的污染比火电站小。
2.核动力潜艇，破冰船和核动力航母
例题：2017 年 5 月 25 日，“华龙一号”全球首堆示范工程—福清核电 5 号机
组顺利完成穹顶吊装，工程正式由土建阶段进入安装阶段。在核电站中，核反应
堆释放的核能转化为电能，核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核铀发生裂变
反应，释放出大量核能。已知一个
7
核裂变时能释放 200 MeV 的能量，燃烧 1kg
煤所放出的能量为 2.94×10
请从数量级上感受铀完全裂变释放的能量与燃烧煤释放的能量的差异。
.
分析：可以分别选取1kg的29325 U和煤，比较1kg 235 U 完全裂变和1kg煤完
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全燃烧所释放的能量。
N M N
1
6.02 1023 2.6 1024
解：1kg29325 U含有的原子数目
A
mmol
0.235
而200MeV相当于 3.2 10 11 J ，则1kg铀完全裂变释放能量 E 8.3 1013
J
1
m煤 E
2.8 10 Kg 2800t
1
q
6
结论：如果 1 kg 铀全部裂变，它放出的能量就相当于 2800 t 标准煤完全燃烧
时放出的化学能。
课堂小结：
5