【精品】高三物理 第二十二章 原子核 五、核反应、核能(第一课时)

第五节核反应核能

●本节教材分析

在学生理解了天然放射现象的本质是某些元素的原子核自发地产生核转变，进而说明用人工控制的某些粒子轰击原子核也可以使其发生转变，即原子核可以实现人工转变.在了解原子核自发和人工转变的基础上，介绍核反应的一般概念，并注意让学生了解核反应中质量数和电荷数守恒的规律.

核能的教学中应注意“一定的质量m和一定的能量mc2相对应”的观点，还应让学生注意，原子核在变化时，其变化前后的总质量是不同的，这种质量差异对应的就是核反应中所吸收或放出的能量.还应注意向学生说明，原子核反应中的质量亏损并不破坏质量守恒定律，因为一定的质量和一定的能量相对应.

另外，核能的计算中要注意单位的换算，如原子质量单位和千克的关系，焦耳和电子伏的关系.

为了说明为什么有些核反应释放能量，有些核反应吸收能量，本教材没有采用以往学生较难理解的“结合能”的概念来讲解这部分内容，而是利用质量亏损的概念引入“核子平均质量”来讲解这部分内容.课本插图中的曲线实质与平均结合能曲线是一样的，但可能更利于学生理解.

●教学目标

一、知识目标

1.知道原子核的人工转变及核反应的概念和规律.

2.理解核能的概念，知道核反应中的质量亏损.

3.知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系.

二、能力目标

会根据质能方程和质量亏损的概念计算核反应中释放的核能.

三、德育目标

认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义.

●教学重点

核能的概念.爱因斯坦的质能方程.

●教学难点

质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解.

●教学方法

本节以教师讲授为主，辅之以学生课堂练习.先从原子核的天然衰变引出原子核的人工转变，进而引入核反应的概念，总结出核反应遵从的规律；从核反应中的γ辐射引入核能的概念，再从核反应中的质量亏损引出爱因斯坦质能关系，最后说明在核反应中释放能量与质量亏损密切相关，给出公式ΔE＝mc2再通过学生的课堂练习加以巩固.

●教学用具

无特殊教具

●课时安排

1课时

●教学过程

一、引入新课

［教师提问］放射性的本质是什么？

［学生回答］原子核的天然衰变.

［教师提问］那能否利用人工方法使原子核发生变化呢？

［学生思考］…

本节课就来研究原子核人工转变所产生的核反应以及所引起的能量变化——核能.

二、新课教学

（一）核反应

［教师提问］如果要人工转变原子核，那用什么办法呢？

［学生猜想］用类似于炮弹的东西去轰击它，看能否把它敲开.

［教师点拨］原子核那么小，用什么作“炮弹”呢？

［学生回答］只能用天然放射线中的微观粒子.

［教师点拨］那α、β、γ粒子都可以作“炮弹”吗？

［学生思考］…

［教师点拨］尽管β、γ粒子的速度很大，但它们的质量很小，能量也较小，它们与原子核作用时一般不能引起原子核的转变，而α粒子由于质量和能量较大，它与原子核作用时很容易使原子核发生转变，因此通常用α粒子作为“炮弹”轰击原子核就可以使原子核实现人工转变.这个过程就是一种核反应.

1.定义

在核物理学中,原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程,称为核反应.

2.原子核的人工转变

（1）卢瑟福发现质子的核反应（1919年）

14

7N+4

2He→

17

8O+

1

1H（质子）

（2）查德威克发现中子的核反应（1932年）

9

4Be+4

2He→

12

6C+

1

0n（中子）

［教师点拨］在上面两个核反应中，反应前后反应物与生成物的核电荷数及质量数有什么关系？

［学生回答］反应物与生成物的核电荷数及质量数总和不变，即守恒.

3.核反应遵循的规律：质量数和电荷数都守恒

［教师点拨］在核反应中虽然质量数守恒，但反应前后原子核的总质量并不守恒.

科学家研究证明，氘核虽然由一个中子和一个质子组成，但氘核的质量并不等于一个中子和一个质子的质量之和，精确计算表明：氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些，这种现象叫做质量亏损，只有在核反应中才能明显的表现出来.

4.核反应的特点：存在质量亏损

核反应前后原子核的质量之差叫做质量亏损（用Δm表示）

［教师点拨］我们知道，在化学反应中往往要伴随吸热或放热，这引起分子或原子的能量发生变化，这种能量就是我们通常所说的化学能.在核反应中也伴随能量的变化，这种能量就是核能，它要比化学能巨大的多.

例如：一个中子和一个质子结合成氘核时，要放出2.2 MeV的能量，这个能量以γ光子的形式辐射出去.而两个氢原子结合成氢分子释放的化学能只不过几个电子伏.

（二）核能

1.什么是核能？与核反应相联系的一种能量.

2.核能的特点：

（1）与原子核的变化相联系，只有在核反应中才能体现出来.

（2）核能是非常巨大的.属于非常规能源.

［教师点拨］在核反应中既伴随巨大能量的释放，又伴随一定的质量亏损，这说明质量与能量之间有某种联系，爱因斯坦的相对论回答了这个问题.

3.爱因斯坦质能方程

相对论指出，物体的能量（E）和质量（m）之间存在着密切的关系，即

E＝mc2式中c为真空中的光速

关于质能方程的理解：

这个方程中c是真空中的光速，m是物体的质量，E是物体的能量.该方程表明：物体所具有的能量跟它的质量成正比.由于c2这个数值十分巨大，因而物体的能量是十分可观的、质量为1 kg的物体所具有的能量为9×1016 J，这一能量相当于一个100万kW的发电厂三年的发电量.对此，爱因斯坦曾说过：“把任何惯性质量理解为能量的一种贮藏，看来要自然得多.”物体贮藏着巨大的能量是不容置疑的，但是如何使这样巨大的能量释放出来？从爱因斯坦质能方程同样可以得出，物体的能量变化ΔE与物体的质量变化Δm的关系：ΔE=Δmc2.

4.核反应中由于质量亏损而释放的能量：ΔE=Δm c2

［例题］计算2个质子和2个中子结合成氦核时释放的能量

已知：1个质子的质量m p=1.007277 u，1个中子的质量m n=1.008665 u.组成氦核的这四个核子的总质量为4.031884 u，但氦核的质量为4.001509 u.

这里u表示原子质量单位，1 u=1.660566×10-27 kg.

由上述数值，可以求出氦核的质量亏损Δm=4.031884 u-4.001509 u=0.030375 u.

在原子核物理学中，核子与核的质量通常都是用原子质量单位表示，而核能通常用兆电子伏表示.按质能方程可以求出1 u的质量亏损所释放的能量为931.5 MeV，所以，2个质子和2个中子结合成氦核时释放的能量为：

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 2.013553 u，由此计算一个中子和一个质子结合成氘核时释放的核能.

解：m n=1.008665 u，m p=1.007277 u.

中子和质子的质量和：2.015941 u.

质量亏损Δm=2.015941 u-2.013553 u=0.002388 u.

释放核能ΔE=Δmc2=0.002388×931.5 MeV =2.22 MeV.

注意：核能的计算中要注意单位的换算，如原子质量单位和千克的关系，焦耳和电子伏的关系.

三、小结

原子核既可以天然衰变，也可以人工转变，使原子核发生变化的过程叫核反应.在核反应中存在质量亏损同时伴随巨大能量的释放.这是因为自然界中物体的质量和能量间存在着一定关系：E=mc2，可见物质世界贮藏着巨大能量.问题是，如何使贮藏的能量释放出来.人类以前利用的是燃料燃烧时释放的化学能.在发生化学反应时，是原子外层电子的得失.这种情况下，人类获取的能量可以说属于原子的“皮能”.在核反应时，可以产生较大一些的质量亏损，从而使人类获得了大得多的能量.这里的变化，属于原子核的变化，相应的能量称作原子核能.由前述二例可以看出，核反应中的质量亏损仍然是十分有限的.换句话说，即物体贮藏的能量是巨大的.迄今为止，人类所利用的能量还只是很小的一部分.如果，人类在探索中，能掌握新的方式，以产生更大的质量亏损，也就必然能够获得更为可观的能量.

四、布置作业

练习三2、3、4

五、板书设计

（一）核反应

1.定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程,称为核反应.

2.原子核的人工转变——用人工方法使原子核发生变化的过程.