Урок физики № 52 в 11 классе

Дата:

Тема: Ядерные реакции. Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции  Ядерный реактор. Цель:

• Знакомство с понятием ядерные реакции; обучение умению определять неизвестный продукт реакции с использованием законов сохранения массового числа и заряда, обосновать существование ядерной энергии как одной из форм энергии, умению вычислять энергетический выход ядерных реакций; знакомство с механизмом протекания цепной реакции, понятием критической массы, факторами, определяющими протекание цепной реакции; устройством и принципом работы ядерного реактора.
• развитие логического мышления; развитие монологической и диалогической речи; развитие у учащихся мыслительных операций: анализа, сравнения, обучения. Формирование представления о целостности картины мира
• раскрытие роли эксперимента в научном познании; формирование диалектико-материалистического мировоззрения учащихся; развитие познавательного интереса к физике.

Тип урока: изучение нового материала.

Форма урока: лекция с элементами беседы.

Д/з: 106-110.

Ход урока

1. Орг.момент.
2. Проверка д/з.

Тестирование (слайд).

1 вар.

№ 1. Какой  заряд  имеют  α-частицы?

1. Отрицательный.
2. Положительный.
3. Не  имеют  заряда.

№ 2. Тот  факт, что  при  радиоактивных  превращениях  из  атомов  одних  веществ  образуются  атомы  других  веществ, является  доказательством  того, что  радиоактивные  превращения  претерпевают:

1. Ядра  атомов.
2. Электронные  оболочки.
3. Кристаллы.

№ 3. Какое  из  трех  типов  излучений: α, β  или  γ  обладает  наибольшей  проникающей  способностью?

1. α–излучение.
2. β–излучение.
3. γ–излучение.

№ 4. В  какое  вещество  превращается  ²¹⁰₈₁ Tl  после  трех  последовательных  β-распадов  и  одного  α-распада?

№ 5. Имеется  радиоактивный  цезий  массой  8  кг. Найти  массу  нераспавшегося  цезия  после  135  лет  радиоактивного  распада, если  его  период  полураспада  равен  27  лет. 

2 вар.

№ 1. Какой  заряд  имеет  γ-излучение?

1. Отрицательный.
2. Положительный.
3. Не  имеет  заряда.

№ 2. Почему  радиоактивные  препараты  хранят  в  толстых  свинцовых  сосудах?

1. Чтобы  избежать  опасного  излучения.
2. Чтобы  увеличить  период  полураспада.
3. Чтобы  уменьшить  явление  радиоактивности.

№ 3.  α-излучение – это:

1. Поток  электронов.
2. Излучение  квантовой  энергии.
3. Поток  ядер  атомов  гелия.

№ 4. Ядра  изотопа  ²³²₉₀ Тh  претерпевают α -распад, два  β-распада  и  еще  один 

α-распад. Какие  ядра  после  этого  получаются? 

№ 5. Имеется  4  г  радиоактивного  кобальта. Сколько  граммов  кобальта  распадается  за  216  сут., если  период  его  полураспада  равен  72  сут.?

Далее самопроверка+самооценка.

1вар.: 1 – В, 2 – А, 3 – С, 4 – свинец  Pb (A=206,  Z=82), 6 – 250  г.

2 вар.: 1 – С, 2 – А, 3 – С, 4 – радий  Ra  (A=224,  Z=88), 6 – 3,5  г.

3. Изучение нового материала.

1. Ядерные реакции.

• Ядерными реакциями называют изменение атомных ядер при взаимодействиях их с элементарными частицами или друг с другом.
• Первую  искусственную  ядерную  реакцию  осуществил  в  1919  г.  Эрнест  Резерфорд. Его  опыт  доказал, что  один  элемент  может  быть  искусственным  путем  превращен  в  другой.

• 1932 год, сотрудники Резерфорда, Уолтон и Кокрофт впервые расщепили   на две α-частицы, с помощью искусственно ускоренных протонов.

• 1934 год, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, получили искусственные радиоактивные ядра фосфора, путем бомбардировки  α-частицами.

Это был впервые полученный радиоактивный фосфор.

2. Энергетический выход ядерной реакции.

Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до и после реакции.

3. Деление ядер урана.

В 1939 году немецкими учеными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом   было открыто деление ядер урана. Они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др.

Рассмотрим более подробно процесс деления ядра урана при бомбардировке нейтроном по рисунку. Нейтрон, попадая в ядро урана, поглощается им. Ядро возбуждается и начинает деформироваться подобно жидкой капле. Оно растягивается до тех пор, пока электрические силы отталкивания не начнут преобладать над ядерными.  Ядро разрывается на два осколка,  выбрасывая при этом два или три нейтрона. Такова технология деления ядра урана.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов: U  (99,3 %) и  U (0,7 %).  При этом реакция деления  U наиболее интенсивно идет на медленных нейтронах, в то время как ядра U просто поглощают нейтрон, и деление не происходит. Поэтому основной интерес представляет реакция деления ядра U.

4. Цепная ядерная реакция.

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.

Цепна́я я́дерная реа́кция — последовательность ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности.

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый  коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция – часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции. Нейтроны, освободившиеся при делении ядер урана-235, способны вызвать деление лишь ядер этого же урана, на долю которого в природном уране приходится всего лишь 0,7 %. Такая концентрация оказывается недостаточной для начала цепной реакции. ИзотопU также может поглощать нейтроны, но при этом не возникает цепной реакции.

Коэффициент размножения нейтронов k — отношение числа нейтронов последующего поколения к числу в предшествующем поколении во всём объеме размножающей нейтроны среды

Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана-235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого урана-235 критическая масса составляет около 50 кг.

Критическая масса —  минимальное количество делящегося вещества, необходимое для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления.

Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода H₂O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются свое движение.

Критическую массу можно уменьшить, если:

Использовать замедлители (графит, обычная и тяжелая вода)

Отражающая оболочка (бериллий).

5. Ядерный реактор.

Ядерный реактор – установка, в которой осуществляется управляемая цепная реакция деления тяжелых ядер.

Первый ядерный реактор: США, 1942 г., Э.Ферми, деление ядер урана.

В России: 25 декабря 1946 г., И.В.Курчатов.

Устройство и принцип работы (слайд).

4. Закрепление.

1. № 1165-1168, 1178-1182  (Рымкевич)
2. Подготовка к ЕГЭ: Типовые тесты 2013.

5. Итог урока.
6. Рефлексия.
7. Д/з.