5.1 核能来自何方
学习目标
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。
重点难点
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。
导学过程
○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）。
反馈练习
1：已知质子和中子结合成氘核时的质量亏损为0.0040×10-27kg，则此过程中释放的能量为多少？已知：c=2.9979×108m/s 1eV=1.6022×10-19J
解：由质能方程：
2：静止的锂核在俘获一个中子后，生成一个氘核和一个粒子，并释放4.8MeV的能量．（1）写出核反应方程式? （2）计算反应过程中的质量亏损
解：（1）核反应方程：
（2）由质能方程： 得
3：计算2个质子和2个中子结合成氦核时释放的能量mp=1.007277 u， mn=1.008665 u.，氦核的质量为4.001509 u.
解：核反应方程： （核子参与的反应也可以叫做核反应）
质量亏损Δm==0.030375 u.
由质能方程：ΔE=Δm c2＝0.030375×931.5 MeV =28.3 MeV.
［练习］(由学生自己完成)：氘核的质量为mD=2.013553 u，中子质量
mn=1.008665 u，质子质量mp=1.007277 u。。计算一个中子和一个质子结合成氘核时释放的核能. （释放核能ΔE=Δmc2=0.002388×931.5 MeV =2.22 MeV）
自我小测
1中子和质子结合成氘核时，质量亏损为Δm，相应的能量ΔE＝Δmc2＝2.2 MeV是氘核的结合能。下列说法正确的是( )
A．用能量小于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核不能分解为一个质子和一个中子
B．用能量等于2.2MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零
C．用能量大于2.2MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零
D．用能量大于2.2MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和不为零
2在下列四个核反应中，x表示中子的是( )
A.N＋He→O＋x
B.Al＋He→P＋x
C.H＋H→He＋x
D.U＋x→Sr＋Xe＋10n
3用质子轰击锂核(Li)生成两个α粒子，以此进行有名的验证爱因斯坦质能方程的实验。已知质子的初动能是0.6 MeV，质子、α粒子和锂核的质量分别是1.007 3 u、4.001 5 u和7.016 0 u。已知1 u相当于931.5 MeV，则下列叙述中正确的是( )
A．此反应过程质量减少0.010 3 u
B．生成的两个α粒子的动能之和是18.3 MeV，与实验相符
C．核反应中释放的能量是18.9 MeV，与实验相符
D．若生成的两个α粒子的动能之和是19.5 MeV，与实验相符
4氮原子核由两个质子与两个中子组成，这两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则3种力从大到小的排列顺序是( )
A．核力、万有引力、库仑力
B．万有引力、库仑力、核力
C．库仑力、核力、万有引力
D．核力、库仑力、万有引力
5静止的镭核Ra发生α衰变，释放出的α粒子的动能为E0，假设衰变时能量全部以动能形式释放出来，则衰变过程中总的质量亏损是( )
A. B. C. D.
6对公式ΔE＝Δmc2，下列说法正确的是( )
A．能量可以转化为质量
B．质量可以转化为能量
C．能量的转化与质量的转化是成比例的
D．在核反应中，能量与质量都不守恒
7一个α粒子轰击一个硼B变成一个未知粒子和碳14，还放出0.75×106 eV的能量，写出核反应方程式________________，反应过程中质量亏损为________ kg。
81993年，中国科学院上海原子核研究所制得一种新的铂元素的同位素Pt。制取过程如下：(1)用质子轰击铍Be产生快中子。(2)用快中子轰击汞Hg，反应过程可能有两种：①生成Pt，放出还原子核；②生成Pt，放出质子、中子。(3)生成的铂Pt发生两次衰变，变成稳定的原子核汞Hg，写出上述反应方程式。
9两个中子和两个质子结合成一个氦核，同时释放一定的核能，若已知中子质量为1.008 7 u，质子质量为1.077 3 u，氦核质量为4.002 6 u。试计算用中子和质子生成1 kg氦时释放的核能。
10氚核和氚核聚变时的核反应方程为H＋H→He＋n。已知H的平均结合能是2.78MeV，H的平均结合能是1.09MeV，He的平均结合能是7.03MeV，试计算核反应时释放的能量。
11已知：氮核质量mN＝14.007 53 u，氧17核的质量为mo＝17.004 54u，氦核质量mHe＝4.003 87 u，氢核质量为mH＝1.008 15 u。
试判断：N＋He→O＋H这一核反应吸收能量还是放出能量？能量变化多少？
参考答案
1答案：AD
2解析：可以利用质量数守恒和电荷数守恒判断。在核反应中可根据质量数守恒和电荷守恒，求出未知粒子的质量数和电荷数，只要该粒子的质量数为1，电荷数为0，那么就为中子，由此可以得出答案为B、C、D。
答案：BCD
3解析：可先求得质量亏损，再由质能方程计算出核反应所释放出的能量，并进行逐项判定。
答案：CD
4解析：核力是强力，它能将核子束缚在原子核内。万有引力最弱，研究核子间相互作用时万有引力可以忽略。
答案：D
5解析：Ra→Rn＋He，由动量守恒：氡核和氦核动量大小相等，设为p，则两个原子核的动能分别为：222mER＝p2,4mE0＝p2，所以4E0＝222ER，核反应释放的总能量为E＝E0＋ER＝E0＋E0＝E0，由爱因斯坦质能方程E0＝Δmc2，Δm＝。
答案：B
6解析：ΔE＝mc2只是说明质量和释放出核能这两种现象间的联系，并不是说明物体的质量和能量之间存在着相互转化关系，故A、B错误，C正确。我们都知道，在核反应中，能量和质量并不违反守恒定律，故D错误。
答案：C
7解析：根据质量数守恒和电荷守恒可以写出核反应方程为He＋B→C＋H；由爱因斯坦质能方程ΔE＝mc2，得Δm＝，代入数据计算得Δm＝1.3×10－30 kg。
答案：He＋B→C＋H 1.3×10－30 kg
8解析：此题只要严格按照写核反应的原则进行，一般不会写错。写核反应方程的原则是：(1)质量数守恒和电荷数守恒；(2)中间用箭头，不能写成等号。因两端仅仅是质量数守恒，没有体现质量相等；也不能仅画一条横线，因箭头的方向还表示核反应进行的方向；(3)能量守恒，但中学阶段不做要求；(4)核反应必须是实验能够发生的，不能毫无根据地随意乱写未经试验证明的核反应方程。
答案：(1)Be＋H→B＋n
(2)①Hg＋n→Pt＋He
②Hg＋n→Pt＋2H＋n
(3)Pt→Au＋e Au→Hg＋e
9解析：计算核能的步骤一般是：首先，写出核反应方程；其次，计算质量亏损Δm；然后根据质能方程ΔE＝mc2计算核能。若Δm以原子核质量单位(u)为单位，可直接用ΔE＝Δm(u)×931.5 MeV计算，此法较方便且常用。
两个质子和两个中子结合成氦核的反应如下：2n＋2H→He，
质量亏损Δm＝2×1.008 7 u＋2×1.007 3 u－4.002 6 u＝0.029 4 u
放出的核能ΔE＝0.029 4×931.5 MeV＝27.386 MeV
生成1kg氦释放的总核能
E＝×6.02×1023×27.368×106×1.6×10－19 J
＝6.59×1014 J
答案：6.59×1014 J
10解析：聚变反应前氚核和氚核的总结合能
E1＝(1.09×2＋2.78×3)MeV＝10.52 MeV.
反应后生成的氦能的结合能
E2＝7.03×4 MeV＝28.12 MeV。
由于单个核子无结合能，所以聚变过程释放出的能量
ΔE＝E2－E1＝(28.12－10.52) MeV＝17.6 MeV。
答案：17.6 MeV
11解析：反应前总质量：mN＋mHe＝18.011 40 u
反应后总质量：mo＋mH＝18.012 69 u。
可以看出：反应后总质量增加，故该反应是吸收能量的反应。
由于1 u相当于931.5 MeV的能量，吸收的能量
E＝(18.012 69－18.011 40)×931.5 MeV＝1.2 MeV。
答案：吸收能量 1.2 MeV
