Деление ядра урана. Цепные ядерные реакции

Цели:

Образовательные:

• Познакомить учащихся с капельной моделью деления ядра атома урана и цепной ядерной реакцией. Продолжить формирование понятий: ядерная реакция, изотопы. Ввести понятия: цепная реакция деления ядра урана, коэффициент размножения, активная зона, критическая масса, ядерный реактор, атомные электростанции, атомная энергия  и ее использование в мирных целях.
• Научиться сравнивать энергию, массу и скорость движения ядер по фотографиям их треков.
• Научиться определять продукты деления ядра урана.

Развивающие:

• Развитие образного и логического мышления на основе представлений о сложном строении атома и атомного ядра и типах фундаментальных взаимодействий, встречающихся в природе.
• Развитие навыков работы с учебником и вычислительных навыков.
• Использование известной формулы для определения плотности вещества в нестандартной ситуации.
• Развитие умения излагать свои мысли грамотно и четко, пользуясь физическими терминами.

Воспитательные:

• Воспитание сознательного отношения к учебному труду и своему здоровью как залог будущей успешности в жизни.
• Показать роль русских учёных в развитии науки и техники. В целях экологического воспитания рассказать о последствиях ядерного взрыва.
• Воспитывать в детях стремление к овладению знаниями, к поиску интересных фактов.

Учебно-наглядный комплекс:

• Презентация в Microsoft Power Point.
• Справочные таблицы "Относительная атомная масса некоторых изотопов", "Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева".
• Компьютер, экран, мультимедиапроектор.
• Электронные издания - 1С: Физика, 7-11 классы из серии "Библиотека наглядных пособий"; 1С: Репетитор, физика; География 9 класс, Экономика и хозяйство России.
• Учебные видеофильмы "Проблемы и перспективы атомной энергетики", "Операция Гелий"
• Тесты, составленные с помощью программы "Краб - 2".
• Инструкция к лабораторной работе (для каждого ученика)
• Реферат выпускника школы Вихарева Леонида "Ядерная энергетика и охрана окружающей среды".

Структура урока.

1. Организационный момент. Мотивационная основа урока.
2. Изучение темы "Деление ядра урана" с помощью презентационного материала.
3. Домашнее задание.
4. Выполнение лабораторной работы
5. Тематическое тестирование.
6. Подведение итогов, оценки за урок.

Примечание: материал рассчитан на 2 урока. В случае необходимости можно его сократить на усмотрение учителя или использовать поэлементно.

Ход урока

Организационный момент.

Приложение 1.

Проверка готовности класса к работе. Объявление темы и цели урока. (Слайд 1 и 2)

Актуализация знаний. Фронтальный опрос.

Назвать состав ядра любого атома.

Какой вопрос возникает в связи с гипотезой о том, что ядро состоит из протонов и нейтронов?

(Слайд 3)

Как называются силы взаимодействия между нуклонами в ядре? Каковы характерные особенности этих сил?

Записать формулу для вычисления энергии связи.

Изучение новой темы.

Параграф 66 прочитать самостоятельно.

Форма контроля качества усвоения материала:

3 уровень - ответить устно на вопросы в конце параграфа.

4 уровень - подготовить рассказ о механизме деления ядра.

5 уровень - подготовить "каверзные" вопросы по теме параграфа.

(Капельная модель деления ядра урана анимация)

Таблица "Цепная ядерная реакция" (Слайд 4)

Историческая справка. Кто на самом деле открыл деление ядра урана? 1938 году Ирен Кюри при бомбардировке урана нейтронами открыла новый изотоп, по химическим свойствам напоминающий лантан. Она была на пороге открытия, но ей никто не поверил. Ни Бор, ни Резерфорд. Отто Ганн (химик) и Фриц Штрассман (физик) облучали нитрит уранила нейтронами и сами удивлялись: атом не может разделиться пополам. Штрассман: "как физик, я должен сказать, что это невозможно". Ган: "Но как химик, я с уверенностью могу сказать, что продукт реакции - это радиоактивный барий. Точно также, как и лантан, открытый Ирен Кюри..". Они фактически открыли деление ядра урана. Их статья была опубликована 22 декабря 1938 года.

Определение цепной ядерной реакции. Обратить внимание на то, что продукты реакции способны продолжать деление следующих ядер. (Цепная реакция: интерактивная модель) (Слайд 5)

Типы ядерных реакций и их использование.

А) Взрывная. Используется в атомной бомбе. (Принцип действия атомной бомбы, анимация) (Слайд 6)

На экране вы видите страшный гриб из радиоактивных веществ. Это следствие неуправляемой ядерной реакции. Следующие фотографии представляют нашему взору предметы, в которых и происходит эта реакция - атомная и водородная бомбы.

Б) Реакция с постоянной скоростью. Используется в атомных реакторах для выработки электроэнергии

(Принцип действия ядерного реактора, интерактивная модель) (Слайд 7)

В) С замедлением. Используется в атомных реакторах при его остановке.

Как сделать ядерную реакцию управляемой? Все дело в массе. Понятие критической массы. Ее значение - 50 кг. Это шар радиусом 9 см.

Уран - опасное радиоактивное вещество. Как сделать так, чтобы реакция шла с постоянной скоростью, а масса урана была как можно меньше? А) отражающая оболочка из бериллия. Б) Наличие примесей. Они тормозят нейтроны и тем самым реакция замедляется. В качестве замедлителя используется графит или обыкновенная вода. Что такое тяжелая вода? Итог всех трудов - критическую массу смогли уменьшить до 250 граммов.

Энергия при делении ядер урана колоссальна: при сжигании 1 г урана выделяется столько же энергии, сколько выделяет 3 тонны угля или 2,5 тонны нефти. (Слайд 8)

(Вопрос на "засыпку": Чему равна плотность урана? Определить плотность урана, если известно, что шар радиусом 9 см имеет массу 50 кг. (Формула объема шара V =4/3R³) Получился довольно - таки значительный результат:16667кг/м³)

• Атом покорен, НО цивилизация под угрозой.
• Прав ли был Прометей, давший людям огонь?
• Мир рванулся вперед, мир сорвался с пружин,
• Из прекрасного лебедя вырос дракон,
• Из запретной бутылки был выпущен джин.

Человечество сделало главный вывод: в третьей мировой войне не будет победителей, не будет и побежденных. Хиросима и Нагасаки навсегда запомнят те черные дни и тяжелые последствия неизвестной болезни. Память о них будет передаваться из поколение в поколение.

Давайте вспомним, какие научные открытия привели человечество к этой страшной трагедии?

Слайд - Беккерель. (Слайд 9)

• Кто этот человек и какое открытие принадлежит ему?
• Что такое радиоактивность?
• Как ему удалось обнаружить это явление?
• Какие исследования проводил с радиоактивными препаратами на себе?
• Почему радиоактивность доказывает, что атом имеет сложное строение?
• Какую структуру имеет радиоактивное излучение?

Слайд - типы радиоактивных излучений (Слайд 10)

- излучение? Почему отклонение в электрическом и магнитном поле слабое?

- излучение? Почему - частицы сильно отклоняются в магнитном поле?

- излучение?

• Из какой части атома берутся эти частицы?
• Итак, что такое радиоактивность?

Слайд Пьер и Мария Кюри (Слайд 11)

Слайд Фредерик и Ирен Кюри. (Слайд 12)

• Чем прославили себя эти люди?
• Какой химический элемент открыла Мари Склодовская-Кюри?
• Почему она его так назвала?
• Почему радий называют лучистым?

Фрагмент видеофильма "Операция Гелий" (Об открытии радия)

Анимация - Строение атома.

• Кто впервые заговорил об атомарном строении вещества?
• Первая модель атома имеет историческое название? Почему?
• Вскоре появилась еще одна модель? Ее название? Как устроен атом?
• Ядро - это уже неделимая часть или нет?

Слайд - Резерфорд. (Слайд 13)

Кем была предложена планетарная модель атома?

Слайд - Принципиальная схема опыта Резерфорда.

Слайд - рассеяние -частиц в опыте Резерфорда

Объяснение результатов опыта.

Слайд - Строение атомного ядра. (Слайд 14)

• Какие частицы входят в состав ядра?
• Как звали человека, открывшего нейтрон? Кто еще стоял на пороге открытия этой частицы? (Резерфорд предполагал, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри)
• На доске записать условное обозначение протона, нейтрона и электрона.
• Что можно сказать о массе протона и нейтрона? Почему масса электрона не учитывается и приравнивается к нулю?

Слайд - Атомная электростанция.

Перспективы атомной энергетики (Слайд 15)

Атомная станция . Атомная энергетика России

Атом приручили и спрятали под толстым слоем бетона и свинца. Сегодня он используется только в мирных целях.

Схема атомного реактора

Слайд - И. В. Курчатов. (Слайд 16)

Главная идея научной деятельности - физика атомного ядра

1923-1924 гг. - первое самостоятельное исследование радиоактивности снега

Работа над реакцией, дающей нейтроны. (книга "Расщепление атомного ядра" (1935).

Практические расчеты замедления нейтронов в ядерных реакторах.

1946г. - первый европейский реактор под руководством И. В. Курчатова в Обнинске.

Биография ученого

Экологические проблемы, связанные с использованием атомных реакторов. (Слайд 17)

Энергия - это основа основ. Все блага цивилизации, все материальные сферы деятельности человека - от стирки белья до исследования Луны и Марса - требуют расхода энергии. И чем дальше, тем больше.

На сегодняшний день энергия атома широко используется во многих отраслях экономики. Строятся мощные подводные лодки и надводные корабли с ядерными энергетическими установками. С помощью мирного атома осуществляется поиск полезных ископаемых. Массовое применение в биологии, сельском хозяйстве, медицине, в освоении космоса нашли радиоактивные изотопы.

В России имеется 11 атомных электростанций (АЭС), и практически все они расположены в густонаселенной европейской части страны. В 30-километровой зоне этих АЭС проживает более 4 млн. человек.

Положительное значение атомных электростанций в энергобалансе очевидно. Гидроэнергетика для своей работы требует создание крупных водохранилищ, под которыми затапливаются большие площади плодородных земель по берегам рек, меняется экология и климат, что чаще всего отрицательно влияет на флору и фауну. Вода в водохранилищах застаивается и теряет свое качество, что в свою очередь обостряет проблемы водоснабжения, рыбного хозяйства и индустрии досуга.

Теплоэнергетические станции в наибольшей степени способствуют разрушению биосферы и природной среды Земли. Они уже истребили многие десятки тонн органического топлива. Для его добычи из сельского хозяйства и других сфер изымаются огромные земельные площади. В местах открытой добычи угля образуются "лунные ландшафты". А повышенное содержание золы в топливе является основной причиной выброса в воздух десятков миллионов тонн оксида серы и радиоактивных изотопов. Все тепловые энергетические установки мира выбрасывают в атмосферу за год до 250 млн. т золы и около 60 млн. т сернистого ангидрида.

Атомные электростанции - третий "кит" в системе современной мировой энергетики. Техника АЭС, бесспорно, является крупным достижением НТП. В случае безаварийной работы атомные электростанции не производят практически никакого загрязнения окружающей среды кроме теплового. Правда в результате работы АЭС (и предприятий атомного топливного цикла) образуются радиоактивные отходы, представляющие потенциальную опасность. Однако объем радиоактивных отходов очень мал, они весьма компактны, и их можно хранить в условиях, гарантирующих отсутствие утечки наружу.

АЭС экономичнее обычных тепловых станций, а, самое главное, при правильной их эксплуатации - это чистые источники энергии.

Вместе с тем, развивая ядерную энергетику в интересах экономики, нельзя забывать о безопасности и здоровье людей, так как ошибки могут привести к катастрофическим последствиям.

Всего с момента начала эксплуатации атомных станций в 14 странах мира произошло более 150 инцидентов и аварий различной степени сложности. Наиболее характерные из них: в 1957 г. - в Уиндскейле (Англия), в 1959 г. - в Санта - Сюзанне (США), в 1961 г. - в Айдахо - Фолсе (США), в 1979 г - на АЭС в Три - Майл - Айленд (США), в 1986 г. - на Чернобыльской АЭС (СССР)

Слайд - Жизнь без "старости"

Сколько живут радиоактивные вещества? Теряют ли они свою радиоактивную силу?

Т - период полураспада (Период полураспада, интерактивная модель)

Например, уран примерно 1600 лет. Еще пример: среди радиоактивных загрязнений, вызванных аварией на Чернобыльской АЭС, наиболее опасными являются долгоживущие продукты деления, такие, как стронций-90 и цезий-137. Период полураспада первого - 28 лет, второго - 30 лет. Фрагмент видеофильма "Проблемы и перспективы атомной энергетики"

Воздействие атомных станций на окружающую среду

Техногенные воздействия на окружающую среду при строительстве и эксплуатации атомных электростанций многообразны. Обычно говорят, что имеются физические, химические, радиационные и другие факторы техногенного воздействия эксплуатации АЭС на объекты окружающей среды. Наиболее существенные факторы -

• локальное механическое воздействие на рельеф - при строительстве,
• повреждение особей в технологических системах - при эксплуатации,
• сток поверхностных и грунтовых вод, содержащих химические и радиоактивные компоненты,
• изменение характера землепользования и обменных процессов в непосредственной близости от АЭС,
• изменение микроклиматических характеристик прилежащих районов.

Возникновение мощных источников тепла в виде градирен, водоемов - охладителей при эксплуатации АЭС обычно заметным образом изменяет микроклиматические характеристики прилежащих районов. Движение воды в системе внешнего теплоотвода, сбросы технологических вод, содержащих разнообразные химические компоненты оказывают травмирующее воздействие на популяции, флору и фауну экосистем.

Особое значение имеет распространение радиоактивных веществ в окружающем пространстве. В комплексе сложных вопросов по защите окружающей среды большую общественную значимость имеют проблемы безопасности атомных станций (АС), идущих на смену тепловым станциям на органическом ископаемом топливе. Общепризнанно, что АС при их нормальной эксплуатации намного - не менее чем в 5-10 раз "чище" в экологическом отношении тепловых электростанций (ТЭС) на угле. Однако при авариях АС могут оказывать существенное радиационное воздействие на людей, экосистемы. Поэтому обеспечение безопасности экосферы и защиты окружающей среды от вредных воздействий АС - крупная научная и технологическая задача ядерной энергетики, обеспечивающая ее будущее. Отметим важность не только радиационных факторов возможных вредных воздействий АС на экосистемы, но и тепловое и химическое загрязнение окружающей среды, механическое воздействие на обитателей водоемов-охладителей, изменения гидрологических характеристик прилежащих к АС районов, т.е. весь комплекс техногенных воздействий, влияющих на экологическое благополучие окружающей среды.

Слайд А. Д. Сахаров. (Слайды 18, 19)

Да, пора эйфории безвозвратно ушла.
На науке лежит преступленье,
Но к ученым, повинным в создании зла,
Постепенно приходит прозренье.

Биография ученого. Выскажите личное мнение по рассмотренной теме. (Слайд 20)

Домашнее задание.

Параграфы 66, 67. Записать необходимую информацию тетрадь.

Выполнение лабораторной работы по инструкции. Изучение деления ядра атома урана под действием нейтрона по фотографии треков.

Цель работы: Применить закон сохранения импульса для объяснения движения двух ядер, образовавшихся при делении ядра атома урана.

Приборы и материалы:

Фотография заряженных частиц, образовавшихся в фотоэмульсии при делении ядра атома урана под действием нейтрона (из учебника); линейка измерительная.

Пояснения.

На данной фотографии вы видите треки двух осколков, образовавшихся при делении ядра атома урана, захватившего нейтрон. Ядро атома урана находилось в покое в точке g, указанной стрелочкой.

Выполнение работы:

• Каким способом зарегистрировано деление ядра атома урана?
• Пользуясь законом сохранения импульса, поясните, почему осколки деления ядра атома урана двигались в противоположных направлениях?
• Измерьте длину траектории каждого осколка и поясните, одинакова ли энергия заряды и масса этих осколков?
• Известно, что при распаде ядра атома урана освобождается еще 2-3 нейтрона. Как вы считаете, в каком направлении двигались эти нейтроны? Почему их треков не видно на этой фотографии?
• Почему искривлен трек левого осколка?
• Известно, осколки ядра урана представляют собой ядра атомов разных химических элементов из середины таблицы Д. И. Менделеева. Например, одна из возможных реакций может быть записана в виде:

₉₂U + ₀n¹ ₅₆Ва + X + ₀n¹

На основе закона сохранения заряда идентифицируйте второй осколок.

• Можно ли заранее предугадать, какие именно осколки получатся при делении конкретного ядра? От чего это зависит?
• Предлагается пофантазировать: какую реакцию деления ядра урана вы можете предложить?
• Известно, что критическая масса для урана равна примерно 50 кг. Это шар радиусом 9 см. Используя эти данные, попытайтесь определить плотность урана.

Примечание:

Оценка "3" ставится за 4 любых верно выполненных задания; "4" - за 7 выполненных заданий. Если работа выполнена полностью и без ошибок , она оценивается на "отлично"

Выполнение тестового задания

Заключение

Мы с вами рассмотрели жизнь некоторых ученых, внесших наиболее яркий вклад в развитие физики. Как вы понимаете, этими именами не заканчивается список выдающихся ученых. В современной науке исследования проводятся целыми институтами, научными лабораториями. Может быть, вы или ваши сверстники внесете посильную лепту в рассмотрение данного раздела физики.

Приложение 2

Приложение 3