Открытый урок в 9 классе "Деление ядер урана. Цепные реакции"
учебно-методический материал по физике (9 класс) на тему

Урок физики в 9 классе

«Деление ядер урана. Цепная реакция»

        Горбачева Ирина Иннокентьевна,

учитель физики

Цель: Формирование научного мировоззрения

Задачи:

• Проверить ранее изученный материал;
• Рассмотреть механизм деления ядер урана;
• Рассмотреть условие возникновения цепной реакции;
• Выяснить факторы, влияющие на протекание цепной реакции;
• Развивать речь и мышление учащихся;
• Развивать умение анализировать, контролировать и корректировать собственную деятельность в рамках заданного времени.

Оборудование: компьютер, проектор , дидактический материал (тест «Состав ядра»), презентация.

Ход занятия

I.Организационный момент (2’)

Приветствие, введение в ход урока

II. Повторение и актуализация ранее изученного материала (8’)

Самостоятельная работа учащихся – выполнение теста (приложение 1). В тесте необходимо указать один верный ответ.

Самопроверка знаний по слайду 2.

III. Подготовка к изучению нового материала. Постановка проблемы (8’)

Какие силы действуют внутри ядра?

- Электростатические и ядерные

Хорошо, а как проявляются электростатические силы?

- Электростатические силы действуют между заряженными частицами. В ядре заряженной частицей является протон. Так как протон заряжен положительно значит, между ними действуют силы отталкивания.

Охарактеризовать электромагнитное воздействие.

Слайд 3. Характеристика электромагнитного воздействия:

• Fэм  только между заряженными телами
• Fэм  и отталкивание (одноименные заряды) и притяжение (разноименные заряды)
• Радиус действие бесконечность.

Верно, а как проявляются ядерные силы?

- Ядерные силы – силы притяжения между всеми нуклонами.

Охарактеризовать ядерное взаимодействие.

Слайд 4. Характеристика ядерного взаимодействия.

Сильное ядерное взаимодействие:

• Fся  в сто раз сильнее Fэм
• Fся  силы притяжения и от заряда не зависят
• Радиус действия 10 м (действую только внутри ядра). На расстоянии более 10 м  Fся примерно равно 0.

Сравним эти взаимодействия

Слайд 5.

Итак, сильное ядерное взаимодействие в ядре атома превосходит электромагнитное взаимодействие в сто раз, но на расстоянии 10 м  (внутри ядра).

Мы с вами недавно узнали, что некоторые химические элементы при радиоактивном распаде превращаются в другие химические элементы. А как вы думаете, что будет, если в ядро атома некоторого химического элемента направить какую-нибудь частицу, ну, например, нейтрон в ядро урана? (выслушиваю предположения учащихся).

Слайд 6,7,8.

Что в результате получилось?

При попадании нейтрона в ядро урана, мы видим, что в результате образуется 2 осколка и 2-3 нейтрона.

IV. Физкультминутка (2’)

V. Изучение нового материала (15’)

Слайд 9.

Такие реакции называют ядерными.

Изменение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом называется ядерными реакциями.

 Слайд 10.

Тот же эффект был получен в 1939 году немецкими учеными Отто Ганном и Фрицем Штрассманом. Они обнаружили, что в результате взаимодействия нейтронов с ядрами урана появляются радиоактивные ядра-осколки, массы и заряды которых примерно вдвое меньше соответствующих  характеристик ядер урана. Происходящее подобным образом деление ядер называют вынужденным делением, в отличие от спонтанного, которое происходит  при естественных радиоактивных превращениях.

Ядро приходит в состояние возбуждения и начинает деформироваться. Почему ядро разрывается на две части? Под действием, каких сил происходит разрыв?

Так, под действием, каких сил происходит разрыв ядра?

Слайд 11.

- (если возникнут затруднения, задаю наводящие вопросы и подвожу учащихся к правильному выводу) Под действием электростатических сил отталкивания ядро разрывается на две части, которые разлетаются в разные стороны и излучают при этом 2-3 нейтрона.

Осколки разлетаются с очень большой скоростью. Получается, что часть внутренней энергии ядра переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков и частиц. Осколки попадают в окружающую среду.

 Как вы думаете, что происходит с ними?

-Осколки тормозятся в окружающей среде.

Чтобы не нарушить закон сохранения энергии, мы должны сказать, что произойдет с кинетической энергией?

-Кинетическая энергия осколков преобразуется во внутреннюю энергию среды.

Можно ли заметить, что внутренняя энергия среды изменилась?

-Да, среда нагревается.

Слайд12.

А будет ли влиять на изменение внутренней энергии тот фактор, что в делении будет участвовать разное количество ядер урана?

-конечно, при одновременном делении большого количества ядер урана внутренняя энергия окружающей уран среды возрастет.

Из курса химии, вы знаете, что реакции могут, происходит как  с поглощением энергии, так и выделением. Что мы скажем о протекании реакции деления ядер урана?

-Реакция деления ядер урана идет с выделением энергии в окружающую среду.

Энергия, заключенная  в ядрах атомов, колоссально. Например, при полном делении всех ядер, имеющихся в 1г урана, выделилось бы столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5т нефти.

Моделирование цепной  управляемой и неуправляемой реакции деления.

У каждого из вас имеются спички. Представим, что вы ядра урана, а спички - это нейтроны, которые получаются при деление одного ядра. После деления (то есть получения спички), вы можете передать соседям до трёх спичек.

Я передаю спичку одному из вас, то есть нейтрон проникает в ядро урана. Смоделируйте все возможные варианты развития событий.

                                                   Варианты:

а. На каком то этапе никто из соседей не получает спичку - реакция деления затухает.

b.каждый передает больше одной спички- цепная неуправляемая реакция деления (назвать этот вид реакции, немного объяснить и спросить, где его можно использовать – ответ: атомная бомба).

с. Каждый передает только одну спичку – цепная управляемая реакция деления (назвать этот вид реакции, и спросить, где его можно использовать – ответ: атомная электростанция).

Слайд 13.

Верно, нейтроны на своем пути могут встретить ядра урана и вызвать деление. Такая реакция называется цепной.

Слайд 14.

Итак, каково условие возникнове6ния цепной реакции?

- цепная реакция возможна благодаря тому, что при делении каждого ядра образуется 2-3 нейтрона, которые могут принять участие в делении других ядер.

Мы видим, что общее число свободных нейтронов в куске урана лавинообразно увеличивается со временем. К чему это может привести?

- К взрыву.

Почему?

- Возрастает число делений ядер и, соответственно энергия, выделяющуюся в единицу времени.

Но ведь, возможен и другой вариант, при котором число свободных нейтронов уменьшается со временем, не встретил нейтрон на своем пути ядро. В этом случае, что произойдет с цепной реакцией?

- Прекратится.

Можно ли использовать в мирных целях энергию подобных реакций?

-Нет.

А как должна протекать реакция?

- Реакция должна протекать так, чтобы число нейтронов со временем оставалось постоянным.

Как же добиться того, чтобы число нейтронов со временем оставалось постоянным?

- (предложения ребят)

Для решения этой проблемы нужно знать, какие факторы влияют на увеличение и на уменьшение общего числа свободных нейтронов в куске урана, в котором протекает цепная реакция.

Одним из таких факторов является масса урана.

Слайд 15.

Дело в том, что не каждый нейтрон, излученный при делении ядра, вызывает деление других ядер. Если масса (и соответственно размеры) куска урана слишком мала, то многие нейтроны вылетят за его пределы, не успев встретить на своем пути ядро, вызвать его деление и породить, таким образом, новое поколение нейтронов, необходимых для продолжения реакции. В этом случае цепная реакция прекратится. Чтобы реакция не прекращалась, нужно увеличить массу урана до определенного значения, называемого критическим.

Почему при увеличении массы цепная реакция становится возможной?

- Чем больше масса куска, тем больше вероятность встречи нейтронов с ядрами. Соответственно увеличивается число деления ядер и число излучаемых нейтронов.

При некоторой так называемой критической массе урана число нейтронов, появившихся при делении ядер, становится равным числу потерянных нейтронов (т. е. захваченных ядрами без деления и вылетевших за пределы куска).

Поэтому их общее число остается неизменным. При этом цепная реакция может идти длительное время, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.

Наименьшая масса урана, при которой возможно протекание цепной реакции, называется критической массой. Критическая масса шарообразного куска урана – 235 равна 50 кг, при этом его радиус составляет всего 9 см (большая плотность).

Как будет протекать реакция, если масса урана больше критической?

- в результате резкого увеличения число свободных нейтронов цепная реакция приводит к взрыву.

А если меньше критической?

- Реакция не протекает из-за недостатка свободных нейтронов.

Слайд 16.

Уменьшить потерю нейтронов (которые вылетают из урана, не прореагировав с ядрами) можно не только за счет увеличения массы урана, но и с помощью специальной отражающей оболочки. Для этого кусок урана помещают в оболочку, сделанную из вещества, хорошо отражающего нейтроны (например, из бериллия). Отражаясь от этой оболочки, нейтроны возвращаются в уран и могут принять участие в делении ядер.

Помимо  массы и наличия отражающей оболочки существует ещё несколько фактора, от которых  зависит возможность протекание цепной реакции. Например, если кусок урана содержит слишком много примесей других химических элементов, то они поглощают большую часть нейтронов и реакция прекращается.

Ещё одними фактором, влияющим на ход реакции, является  наличие в уране так называемого  замедлителя нейтронов. Дело в том, что ядра урана-235 с наибольшей вероятностью делятся под действием медленных нейтронов. А при делении ядер образуются быстрые нейтроны. Если быстрые нейтроны замедлить, то большая их часть захватится ядрами урана-235 с последующим делением этих ядер, в качестве замедлителей используются такие вещества, как графит, пода, тяжёлая вода и некоторые другие. Эти вещества только замедляют нейтроны, почти не поглощая их.

6. Закрепление знаний. Подведение итогов урока.(4)

Слайд 17.

Итак, какие факторы способны влиять на протекание цепной реакции?

- Возможность протекания цепной реакции определяется массой урана, количеством примесей в нем, наличием оболочки и замедлителя.

1. Цепная реакция деления ядер возможна, благодаря тому, что при делении одного ядра образуются 2 или 3 нейтрона, которые могут принять участие в делении других ядер (если все полученные нейтроны просто поглощаются ядром, или покинут кусок урана, не вызывая деления, то ядерная реакция деления не возникает).
2. Цепная реакция деления ядер урна может возникнуть только при определенной критической массе урана.
3. Если масса урана равна критической массе, то возникает управляемая цепная реакция деления (число нейтронов не изменяется, коэффициент размножения нейтронов равен единице).
4. Если масса урана больше критической массы, то возникает неуправляемая взрывная цепная реакция деления (число нейтронов увеличивается лавинообразно. Коэффициент размножения больше единицы).
5. Критическую массу урана можно уменьшить, если применять:

А) замедлители нейтронов (графит, вода H2O или тяжелая вод D2O) – уран 235 делится только под действием «медленных нейтронов»;

Б) Делать урановые шарики с оболочкой отражающей нейтроны изнутри (оболочки из беррилия) – меньше нейтронов покидают кусок урана.

С) Обогащать природный уран ураном 235, и очищать от других примесей.

 Критическая масса шарообразного куска урана 235 равна 50 кг, при этом его радиус составляет всего 9 см (большая плотность), можно уменьшить массу до 0,8 кг.

7.Подведение итогов урока. Домашнее задание: Параграф: 76,77

Слайд 18 .

Тест: «Строение атома. Реакции деления».

Вариант 1.

1. Что представляет собой альфа-частица?

А. электрон.    Б. Полностью ионизованный атом гелия.  В. один из видов электромагнитного излучения.

2. Какой заряд имеет ядро, согласно планетарной модели атома Резерфорда?

А. положительный    Б. отрицательный     В. ядро заряда не имеет.

3. Определите, сколько электронов имеет атом бериллия 94Ве.

А. 9     Б. 4     В. 5     Г. 13

4. Кто открыл явление радиоактивности?

А. М. Кюри;          Б. Дж. Томсон;           В. Н. Бор;            Г. Э. Резерфорд;        Д. А. Беккерель.

5 Кто предложил ядерную модель строения атома?

А. Беккерель;     Б. Томсон;      В. Резерфорд.

6. Чему равно массовое число ядра атома марганца 5525Мn?

А. 25     Б. 80      В.30       Г. 55.

7. На рисунке изображены схемы четырех атомов. Черные точки – электроны. Какая схема соответствует атому 42Не?

          Закончите уравнения ядерных реакций:

8.  3517Cl   +  10n → 11p+

9.    73 Li + 11p → 2

10. 2412Mg + 42He → 2714Si +

Тест: «Строение атома».

Вариант 2.

1. Что представляет собой бета-частица?

А. электрон.    Б. Полностью ионизованный атом гелия.  В. один из видов электромагнитного излучения.

2. Какой заряд имеет атом, согласно планетарной модели атома Резерфорда?

А. атом электрически нейтрален;    Б. отрицательный;     В. положительный

3. Определите, сколько электронов имеет атом железа 5626Fе.

А. 56     Б. 30     В. 26     Г. 82

4. С помощью опытов Резерфорд установил, что …

А. положительный заряд распределен равномерно по всему объему атома;   Б. положительный заряд сосредоточен в центре атома и занимает очень малый объем;   В. в состав атома входят электроны;  Г. атом не имеет внутренней структуры.

5. Для  регистрации каких частиц в основном используется счетчик Гейгера?

А. альфа-частиц;     Б. бета-частиц;       В. протонов.

6. Чему равен заряд ядра атома стронция  8838Sr?

А. 88     Б. 38      В.50      Г. 126.

7. На рисунке изображены схемы четырех атомов. Черные точки – электроны. Какая схема соответствует атому   73Li?      

          Закончите уравнения ядерных реакций:

8.      136C + 11p →   

9.      105B+ 42He →10n +

10.    5626Fe  +  10n → 5625Mn +