《核反应和核能》教案-新人教选修2-3

核反应 核能教案
教学目标：
（一）知识与技能目标：
1.知道原子核的人工转变、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.
4.会根据质能方程和质量亏损计算核反应中释放的核能.
（二）过程与方法目标：
1.通过质疑、释疑的思维过程，提高分析探究问题的能力
2.学习归纳、推理、迁移的科学方法
（三）情感态度与价值观目标：
1.领略自然界的奇妙与和谐
2.体会探索自然规律的乐趣,感悟大自然的博大精深
3.激发使命感与责任感,培养将科学服务于人类的意识
教学重点：
1.核反应中的人工转变及核反应方程
2.核能的概念.爱因斯坦的质能方程.计算核能.
教学难点：纠正核能是质量转化为能量的错误理解．正确理解质量亏损
教学方法：以讲授为主，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△mc 2，再通过学生的课堂练习加以巩固.
教学手段：无特殊教学手段
教学过程：㈠创设情境、激趣导入 ㈡自主、合作、探究 ㈢板书设计
一、核反应
1.核反应：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。

说明：10核反应既不是化学变化，也不是物理变化，核反应是核变化。

20核变化包括原子核的衰变和核反应
30核反应包括原子核的人工转化、核裂变、轻核的聚变（有时把衰变也称作核反应） 这节课学习原子核的人工转化：在1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，产生了氧的一种同位素——氧17和一个质子，第一次实现了原子核的人工转变。

2.原子核的人工转变：用α粒子（或H 1
1或n 10……）轰击原子核使之发生变化的过程，
叫做原子核的人工转变。

（或说：用人工方法使原子核发生变化的过程，叫做原子核的人 工转变）（原子核的人工转变是核反应中的一种。

）
（1）质子的发现（1919年）：H O He N 111784214
7+→+ 卢瑟福
（2）中子的发现（1932年）：n C He Be 10126429
4+→+ 查德威克
3.核反应的规律：在核反应中，质量数和电荷数都守恒
［教师点拨］科学家们发现，虽然质量数守恒，但反应前的原子核的总质量．．．．．．．
与反应后的原子核的总质量．．．．．．．并不守恒.（但反应前后的物质的总质量．．．．．．是守恒的。

造成反应前后原子核的．．．．
总质量．．．不守恒的原因：是生成物中的光子或其它粒子带走了一些质量．．．．．．．．．
） 4.核反应的特点：核反应前后存在质量亏损
∆质量亏损：核反应前的原子核的总质量．．．．．．．减去核反应后的原子核的总质量．．．．．．．
叫做质量亏损，用Δm 表示： 后前m m m -=∆
［教师点拨］科学家们还发现：一个中了和一个质子结合成氘核时，要放出2.2MeV 的能量，这个能量以γ光子的形式辐射出去。

由此可见，核反应能够释放能量。

二、核能
1.核能：核反应中放出的能量称为核能
说明：10核能与原子核的变化相联系，只有在核反应中释放的能量，才叫做核能。

20核能是非常巨大的，核能属于非常规能源。

30核能与原子能是两回事（原子能是原子中电子的动能和原子核与电子间相互作用的电势能的总和）
［教师点拨］在核反应中，既伴随巨大的能量释放，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。

是什么关系呢？爱因斯坦的相对论回答了这种联系。

2.爱因斯坦质能联系方程，简称为质能方程：
爱因斯坦的相对论指出，物体的能量（E ）和质量（m ）之间存在着密切的联系，它们之间的关系是 2mc E = 或写成 2mc E ∆=∆ 式中c 为真空中的光速
关于质能方程的理解：
（1）在2mc E =中，m 是运动物体的质量220
C V
1m m -=、E 是物体的总能量、
20k c m E E +=、0m 是静止质量、20c m 叫做静止能量。

（2）静止能量20c m ，是物体的内能总和。

它包括：构成物体的分子动能、分子间相互作用的势能、分子内原子的动能、原子能、原子间相互作用的势能、以及原子内部、电子内部、质子内部、中子内部……构成物体的所有最基本粒子的所有能量的总和为20c m 。

（3）2mc E =不含物体与物体之间相互作用的势能
3.正确认识质量亏损：（不板书）
在谈到核能与质量亏损时，有人错误地认为：核反应释放核能，有质量亏损，放出核能的过程是质量转化为能量的过程（错的）。

或错误地认为：有质量亏损，核反应前后物质的总质量是不守恒的（错的）或错误地认为：质量亏损是质量消失了（错的）
①按相对论，运动物体的质量与速度有关还与物体的静质量有关220
C V
1m m -=。

物体的速度越大，物体的质量就越大。

当物体以远小于光速运动时，质量
的变化很不明显，可认为质量不变。

当物体的速度接近光速时，物体的质量变化很大，质量
的变化不可忽略。

但此公式也不是万能的。

若求光子的质量，公式220
C V
1m m -=不适用了，
因为光子的静质量是0，用此公式不能求出光子的质量。

为了求出光子的质量，就不得不求助于爱因斯坦的质能方程：运动的光子能量是νh ，由质能方程有：νh mc 2= 求得光子的质量2c
h m ν= （进而可求出动量 c h mc P ν==） ②质量亏损，是核反应前的原子核的总质量．．．．．．．减去核反应后的原子核的总质量．．．．．．．
叫做质量亏损， 后前m m m -=∆。

造成反应前后原子核的总质量．．．．．．．
不守恒的原因是：产物中的光子或其它粒子带走了一些质量．．．．．．．。

•质量亏损不是质量转化为能量，也不是质量的消失。

•核反应前后的总质量是守恒的。

只是核反应前后的核的总质量．．．．．
不守恒了。

•核反应前后守恒的量有：①质量数守恒、②电荷数守恒、③总质量守恒、④能量守恒、⑤动量守恒（有时忽略光子的动量）
4.核反应中核能的计算：用爱因斯坦的质能方程2
mc E ∆=∆求核能
说明：10质量为一个原子质量单位对应的能量是：931.5MeV [教材：73页（2）] 20若m ∆的单位是kg ，直接利用2mc E = 30
若m ∆的单位是原子质量单位，则可用以原子质量为单位的数乘以931.5MeV 。

这时核能的单位是MeV （通常，核能的单位是MeV ）
[例题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：
[例题2]：静止的锂核Li 5
3在俘获一个中子后，生成一个氘核和一个α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：He H n Li 4221105
3+=+ （2）由质能方程：2mc E ∆∆= 得 kg
1053.8kg )100.3(106.1108.4c
E m 302
819
62--⨯=⨯⨯⨯⨯==∆∆ [例题3］：计算2个质子和2个中子结合成氦核时释放的能量
m p =1.007277 u ， m n =1.008665 u.，氦核的质量为=αm 4.001509 u.
MeV eV mc E 2.2106022.1)109979.2(100040.0198272=⨯⨯⨯⨯==--∆∆
解：核反应方程：He n 2H 242101
1→+ （核子参与的反应也可以叫做核反应）
质量亏损Δm=αm )m 2m 2(n p -+=0.030375 u.
由质能方程：ΔE=Δm c 2＝0.030375×931.5 MeV =28.3 MeV.
［练习］(由学生自己完成)：氘核的质量为m D =2.013553 u ，中子质量
m n =1.008665 u ，质子质量m p =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 ）
三、小结：原子核既可以发生天然衰变，也可以人工转变。

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。

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=mc 2。

可见物质世界贮藏着巨大
能量。

如何使物质贮藏的能量释放出来呢。

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是属于原子表层的“皮能”。

在核反应时，可以产生较大一些的质量亏损，从而使人类获得更多的能量。

这时的变化，属于原子核的变化，相应的能量称作原子核能。

然而，核反应中的质量亏损也是十分有限的。

换句话说，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其中很小的一部分。

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。