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第十四章 能源的开发和利用

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第一节 原子核的组成

(一)教学目的
1.常识性了解射线的应用,强射线对人体的危害及防护。
2.常识性了解原子核的组成。
3.进行物理学研究方法的启蒙教育。
(二)教具
录像机,监视器,原子弹和氢弹爆炸的录像剪辑。(若没有上述器材可用原子弹、氢弹爆炸的挂图代替)
(三)教学过程
1.引入新课
教师:为了打破核垄断,抵制核讹诈,我国科技工作者自力更生、发奋图强,从1961年起自己进行核武器的研制,在党中央的亲切关怀下,全国一盘棋,用了短短4年时间就完成了研制工作,并于1964年10月16日成功地爆炸了第一颗原子弹。
播放录像:我国第一颗原子弹爆炸的实况。
教师:这是我国第一颗原子弹试爆的实况,其威力超过了第二次世界大战期间美国在日本广岛上空爆炸的原子弹。紧接着于1967年6月17日又成功地爆炸了第一颗氢弹,完成了其他国家要十几年或几十年才能做完的工作。
播放录像:我国第一颗氢弹试爆实况。
这是我国试爆第一颗氢弹的情况,与原子弹相比,氢弹所用的燃料更少,而威力则比原子弹大很多。
(若没有录像设备,就出示挂图,指着原子弹爆炸后形成的蘑菇云问学生:你们知道这是什么吗?然后教师再介绍上述情况)
原子弹和氢弹为什么会具有这么大的威力呢?因为它们都利用了核能。我们知道化学能是在原子发生变化时放出的能量,而核能是在原子核发生变化时放出的能量。为了了解核能,先要知道原子核的组成情况。
2.进行新课
板书课题:〈第二节 原子核的组成〉
(1)电子的发现和放射性现象的发现
教师:我们已经学过,物质是由分子、原子构成的,原子已经是很小很小的微粒了,其直径只有10-10米,所以在十九世纪以前,人们一直认为原子是不可再分的中性粒子。1897年英国物理学家汤姆生在研究阴极射线时发现了电子,而电子比原子小得多,因而人们才认识到原子内部还有结构。
板书:〈电子的发现把人们带入了原子内部的世界〉
在同一时期人们还发现了天然放射现象,对放射性现象的进一步研究,人们认识到原子核内部还有结构,原子核由比它更小的粒子组成。可见人类对客观世界的认识是没有止尽的。我们先来学习放射性现象。
板书:〈放射性现象的发现把人们带入了原子核内部的世界〉
(2)放射性现象
①什么是放射性现象?
教师边写边说:像铀(U)、钋(Po)、镭(Rα)等元素能自发地放出一些人眼看不见的、能穿透黑纸使照相底片感光的射线,这种现象叫放射性现象。这些元素叫放射性元素。
②射线究竟是什么?
教师:在放射性现象中放出的射线是什么东西呢?它们除了能穿透黑纸使照相底片感光的性质以外,还有些什么性质?比如:这些射线带不带电呢?为了了解它们的性质,还得通过实验。
教师:我们做什么样的实验,才能判断它们带不带电呢?(放射性现象中放出的射线若是带电的,射线在磁场中将像通电导体那样发生偏转,由偏转的方向和磁体的N、S极位置还可判断射线带的是什么电。)
教师:我们利用已经掌握的知识可以去探索还不知道的现象和规律,最基本的研究方法是通过实验。把放射性元素装在一个壁很厚的铅盒里(射线穿不透),在盒壁上有一个小孔,放射线可由此孔射出,然后把它们放到两个很强的磁极之间,再用照相底片把射线的轨道记录下来。从照相底片上看到,放射线分成了三束,其中两束向相反方向偏转,说明这两束射线带异种电荷;中间一束偏转,说明它不带电,是中性的。
这三种射线有哪些性质呢?它们的实质是什么呢?
板书:〈射线由两种带异种电荷的粒子和一种不带电的中性粒子组成〉
(3)三种射线
①α射线
根据射线的偏转方向和磁场方向的关系可以确定,偏转较小的一束由带正电荷的粒子组成,我们把它叫做α射线,α射线由带正电的α粒子组成。科学家们研究发现每个α粒子带的正电荷是电子电荷的2倍,α粒子质量大约等于氦原子的质量。进一步研究表明α粒子就是氦原子核。
板书:〈α射线的实质就是高速运动的氦核流〉
由于α粒子的质量较大,所以α射线的穿透本领最小,我们用一张厚纸就能把它挡住。
②β射线
与α射线偏转方向相反的那束射线带负电荷,我们把它叫做β射线。研究发现β射线由带负电的粒子(β粒子)组成。进一步研究表明β粒子就是电子。
板书:〈β射线的实质就是高速运动的电子流〉
实验还表明,β射线的穿透本领较强,很容易穿透黑纸,还能穿透几厘米厚的铝板。
③γ射线
中间不发生偏转的那束射线叫做γ射线,研究表明,γ射线的实质是一种波长极短的电磁波,它不带电,是中性的。
板书:〈γ射线是一种电磁波〉
γ射线的穿透本领极强,一般薄金属板都挡不住它,它能穿透水泥墙和几厘米厚的铅板。
(4)γ射线的应用和防护
由于γ射线穿透性极强,照到动、植物上还能对细胞发生生物化学作用,因此在工业、农业和医学上都有重要应用。在工业上可用它作金属探伤,或检查金属板的厚度。例如,飞机、火车、轮船上的主轴是用钢材锻压而成的,里面有没有砂眼或裂缝呢?以前是用破坏法抽样检查的,可靠性差,又浪费材料,现改用γ射线来探查,准确度高,又不损耗材料;在农业上用γ射线来适当照射种子,能使农作物增产,还能增强某些作物的抗病能力,改良农作物的品质;在医学上还可用γ射线作"放疗",医治恶性肿瘤。
事物总是一分为二的,γ射线能杀死癌细胞,也能杀死正常细胞,或使正常细胞癌变,因此在使用放射性元素时,要注意射线的防护,要防止放射性物质泄漏,以免对水源、空气和工作场所造成污染。
(5)原子核的组成
深入研究表明,放射性现象中放出的三种射线都是从放射性元素的原子核内释放出来的,这表明原子核也有内部结构。
原子核内究竟还有什么结构?原子核又是由什么粒子组成的呢?这是个很复杂的问题,直到目前原子核内部的细微组成情况仍是科学研究的尖端项目之一。现在我们只是粗浅地、简单地介绍原子核内部的基本组成情况。
①英国物理学家卢瑟福在1919年做核反应时发现了质子,经过研究证明,质子带正电荷,其电量和一个电子的电量相同,它的质量等于一个电子质量的1836倍。进一步研究表明,质子的性质和氢原子核的性质完全相同,所以质子就是氢原子核。
②1932年英国物理学家查德威克又发现了中子,通过研究证明中子的质量和质子的质量基本相同,但是不带电,是中性粒子。在对各种原子核进行的实验中,发现质子和电子是组成原子核的两种基本粒子。
板书:〈原子核是由质子和中子组成的〉
现在我们已经知道:氢原子核(H)最简单,它就是一个质子,核外有一个电子绕着它转;氦原子核(He)是由2个质子和2个中子组成的,核外有2个电子绕着它转;锂原子核(Li)是由3个质子和4个中子组成的,核外有3个电子分两层绕着它转;铍原子核(Be)由4个质子和5个中子组成,核外有4个电子分两层绕着它转……同学们可以发现一个规律:
板书:〈各种原子核内质子的个数(核的电荷数)和核外电子的个数都相同,它也等于该种元素在元素周期表中的原子序数;原子核内质子和中子的总数叫做核的质量数,它等于该元素原子量的整数部分。〉
③在某种核反应中,一个中子变成一个电子和一个质子。这就是原子核内没有电子,又会放出电子,产生β射线的原因。
3.小结(略)
4.布置作业
阅读课本,了解放射性现象和原子核组成的基本情况。

第三节 核能
(一)教学目的
1.常识性了解核能和释放核能的两条途径——裂变和聚变。
2.进行物理学研究方法的启蒙教育。
3.介绍我国科学家的成就,进行爱国主义教育。
(二)教具
铀核裂变、链式反应以及原子弹、氢弹爆炸后产生的蘑菇云挂图,我国试爆第一颗原子弹、氢弹的录像资料及播放设备。
(三)教学过程
1.引入新课
教师:科学家们在天然放射性现象的研究中,发现了极其微小的原子核内部还有结构,原子核也是可以变化的。为了研究原子核内部的结构,物理学家们尝试用粒子去"轰击"原子核,最初是用α粒子去轰击,后来又用质子、中子去轰击,发现都能引起原子核的变化——核反应,而且发现在某些核反应过程中能释放出大量能量。由于原子核的变化而释放的巨大能量,我们把它叫做核能。
2.进行新课
板书:〈第三节 核能〉
(1)什么叫核能?
板书:〈由于原子核的变化而释放的巨大能量叫做核能,也叫原子能。〉
(2)释放核能的两条途径
教师:经过科学家们的大量实验研究和理论分析,发现释放核能可以有重核的裂变和轻核的聚变两条途径。
①重核的裂变
教师结合课本 图14-6或挂图讲解:科学家们发现,用中子去轰击质量数为235的铀,铀核会分裂成大小相差不大的两部分,这种现象叫做裂变。
裂变后的产物以很大的速度向相反方向飞开,与周围的物体分子碰撞,使分子动能增加,核能转化成周围物体的内能。实验表明,裂变时释放的核能十分巨大,1千克铀-235中的铀核如果全部发生裂变,释放出的核能相当于2500吨标准煤完全燃烧时放出的能量,是同样质量煤燃料时放出能量的2.5×106倍。
从图中看到,铀-235只有在中子的轰击下才能发生裂变,放出核能,那么是不是要不断地从外界提供中子,才能维持铀核的不断裂变呢?科学家们从实验中发现,(指着链式反应的挂图讲解)铀-235核在受到中子的轰击后,裂变成2个差不多大小的新粒子的同时,还释放出2~3个新中子,这2~3个中子又去轰击其它铀235核,引起2~3个新铀核裂变,又各放出2~3个中子,这些中子又去轰击更多的轴核发生裂变……随着一个轴核裂变的发生,会引起越来越多的铀核发生裂变。这样,裂变就不断地自行持续下去,这种现象叫做链式反应。
如果对裂变的链式反应不加控制,在极短的时间内就会引起大量的铀核发生裂变,在极短的时间内就会释放出巨大的核能,发生猛烈的爆炸。原子弹就是根据这个原理制成的。(指着原子弹爆炸后升起的蘑菇云挂图)这就是原子弹爆炸时释放的巨大核能产生的高温高压气体向外扩散时所升起的蘑菇状烟云,其上升的高度可达几百米,其破坏力和杀伤力都是十分巨大的。
但是如果我们能够控制裂变式反应的速度,使核能缓慢地、平稳地释放出来,就能够代替化石燃料,进行和平利用。能够缓慢地、平稳地释放裂变产生的核裂变的装置叫做核反应堆。人们已经成功地生产出各种规格的核反应维,它是核潜艇、核动力破冰船、核电站等设施的核心部件。
②轻核的聚变
教师结合课本图14-9讲解(教师可边讲边在黑板上画此图):
科学家们在对核反应的研究中还发现,两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核时,也能释放出核能,这种现象叫做聚变。
由于聚变必须在极高的温度和压强下进行,所以也叫热核反应。例如把一个氘核(质量数为2的氢核)和一个氚核(质量数为3的氢核)在高温、高压的环境下结合成一个氦核时,就会释放出核能。氢弹就是利用这个原理制成的。氢弹的威力比原子弹要大得多,(指着氢弹爆炸后升起的蘑菇云挂图说)这是氢弹爆炸后升起的蘑菇云,比原子弹的威力要大几十倍。我们最熟悉的太阳内部就在不断地进行着大规模的核聚变反应,由此释放出的巨大核能以电磁波的形式从太阳辐射出来,地球上的人类自古以来,每天都享用着这种聚变释放出的核能。
我国物理学家在核物理的研究方面也取得了重大成就。早在40年代,物理学家钱三强和何泽慧在法国学习和工作期间与法国两个研究生一起,第一次发现了铀核裂变的三分裂和四分裂现象。解放后从1960年开始,王淦昌等一批优秀的物理学家和其他人员,在西北高原的实验室里,在荒无人烟的沙漠试验场中奋发图强、艰苦奋斗,经过4年的艰辛工作,于1964年10月16日成功地爆炸了我国的第一颗原子弹(播放我国第一颗原子弹试爆的的录像资料),其研制速度之快,效率之高是世界上第一流的,现在我们的运载工具--火箭技术也已相当成熟了,不但给自己发射卫星,还替外国发射卫星,信誉很高。当然我国研制核武器只是为了打破核垄断,抑制核讹诈,最终能够消灭核武器。
人们现在还不能像控制裂变那样有效地、随心所欲地控制聚变反应,和平利用聚变释放的核能,但是由于核聚变可以释放比裂变更大的核能,而且不像裂变那样会产生较大的放射性污染,其原料氘和氚等又比铀丰富得多,因此控制聚变反应是一个非常吸引人的课题。目前世界上不少国家都在积极研究聚变的人工控制并已取得了一定的进展。我们国家在这方面也没有落后,自己研制的可控核聚变的实验装置--中国环流器1号已于1984年顺利启动,已经取得不少研究成果,至今仍在继续工作中。同学们将来也许能参与其中,成为我国和平利用聚变释放核能的有功人员,为开发我国的新能源作出重大的贡献,我们衷期待着这一天。
3.总结:
板书:
重核的裂变--链式反应(原子弹,核反应堆)
核能的释放
轻核的聚变(氢弹,"中国环流器1号")
4.布置作业
阅读课本,知道什么是核能,了解释放核能的两条途径。

 

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