Деление ядер урана. Цепная реакция.
план-конспект урока по физике (11 класс) на тему

Тема: Деление ядер урана. Цепная реакция.

Цель: сформировать у учащихся представление о делении ядер урана, о протекании цепной ядерной реакции.

Задачи:

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.
• 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.
• 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 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.

Ход занятия

I. Организационный момент.

Приветствие, объявление плана занятия.

II. Повторение ранее изученного материала.

Самостоятельная работа учащихся – выполнение теста .В тесте необходимо указать один верный ответ.

III. Изучение нового материала. По ходу урока составляем конспект.

Мы с вами недавно узнали, что некоторых 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?   Что в результате получилось?

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

Тот же эффект был получен в 1939г немецкими учеными Отто Ганом 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.

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.

Ядро приходит в состояние возбуждения и начинает деформироваться. Почему ядро разрывается на 2 части? Под действием каких сил происходит разрыв?

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.

Верно, а как проявляются ядерные силы?

– Ядерные силы – силы притяжения между всеми нуклонами.

Так, под действием каких сил происходит разрыв ядра?

– (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 нарушать 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.

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 возрастает.

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, колоссальна. Например, при полном делении всех ядер, имеющихся в 1г урана, выделилось бы столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5т нефти. Выяснили, что произойдет с осколками, а как поведут себя нейтроны?

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

Итак, каково условие возникновения 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, выделяющаяся 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 случаечто 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 все время оставалось постоянным?

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

Одним из таких факторов является масса урана. 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?

Найдите ответ в учебнике

– Чем больше масса куска, тем больше вероятность встречи нейтронов с ядрами. Соответственно увеличивается число делений 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.

Как будет протекать реакция, если масса урана больше критической?

– В результате резкого увеличения числа свободных нейтронов цепная реакция приводит к взрыву.

В атомных бомбах цепная неуправляемая ядерная реакция возникает при быстром соединении двух кусков урана-235, каждый из которых имеет массу несколько ниже критической.

6 августа 1945 года в 1час 45 минут американский бомбардировщик B-29 под командованием   полковника Пола Тиббетса,  взлетел с острова Тиниан, находившегося примерно в 6 часах лета от Хиросимы.

Количество погибших от непосредственного воздействия взрыва составило от 70 до 80 тысяч человек. К концу 1945 года, в связи с действием радиоактивного заражения и других пост-эффектов взрыва, общее количество погибших составило от 90 до 166 тысяч человек. По истечении 5 лет, общее количество погибших достигло 200 000 человек.

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.

А если меньше критической?

– Реакция не протекает из-за недостатка свободных нейтронов.

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 еще несколько факторов, от которых зависит возможность протекания цепной реакции. Например, если кусок урана содержит слишком много примесей других химических элементов, то они поглощают большую часть нейтронов и реакция прекращается.

Еще 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, тяжелая вода и некоторые другие. Эти вещества только замедляют нейтроны, почти не поглощая их.

Итак, какие основные факторы способны влиять на протекание цепной реакции?

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

Критическая масса шарообразного куска урана-235 приблизительно равна 50кг. При этом его радиус составляет всего 9см, поскольку уран имеет очень большую плотность.

Применяя замедлитель и отражающую оболочку, и уменьшая количество примесей, удается снизить критическую массу урана до 0,8 кг.

IV. Подведение итогов.                        V. Домашнее задание.