Урок+презентация по физике для 11 класса «Цепные ядерные реакции. Применение ядерной энергии»

Урок физики в 11 классе.

Тема: «Цепные ядерные реакции. Применение ядерной энергии»

Учитель Коваль Н.А.

Задачи:

1.Рассмотреть условия для осуществления цепных ядерных реакций,

устройство и принцип действия ядерного реактора.

2.Отрабатывать умение объяснять энергетический выход ядерных реакций на основе графика зависимости удельной энергии связи от массового числа.

3. показать роль советских ученых в разработке данной проблемы.

Содержание урока.

Повторение ранее изученного материала (фронтальный опрос)

1. Что называется ядерными реакциями?

2. Условия для осуществления ядерной реакции.

3. Почему 1932 год считают началом нового этапа в развитии ядерной физики?

4. Каковы преимущества нейтронов?

5. Что называют энергией связи атомного ядра? Удельной энергией связи?

6. Что называют энергетическим выходом ядерной реакции?

7. Когда реакция идет с выделением энергии?

8. Каковы возможные пути высвобождения энергии ядра?

9. Используйте график зависимости удельной энергии связи от массового числа.

Изучение нового материала.

Открытие деления ядер урана: работы Э. Ферми, Ф. Жолио-Кюри, О. Гана, Ф. Штрассмана, Л. Мейтнер).

Выводы:

1) ядро атома урана при бомбардировке нейтронами распадается на осколки;

2)это возможно потому, что масса покоя ядра урана больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении. Из-за этого происходит выделение энергии, эквивалентной уменьшению массы покоя. Однако полная масса сохраняется, т.к. масса движущихся осколков превышает их массу покоя. К такому же выводу приводит и анализ графика зависимости удельной энергии связи от массового числа.

3) реакция сопровождается выделением огромной энергии. К такому выводу пришел Ф. Жолио-Кюри («Ядро распадается не как-нибудь…»).

2. Механизм деления ядра.

Самостоятельная работа с учебником стр. 207, беседа по прочитанному.

1. Цепная реакция (объяснение материала учителем с элементами беседы)

Масса каждого осколка деления составляет примерно половину массы атома урана.

Типичной является следующая реакция:

Вопрос учащимся: правильно ли записана реакция? Какие законы используем для проверки?

Вывод: реакция должна сопровождаться выделением 2-3 нейтронов и200 МэВ энергии. Каждый из нейтронов, вылетающих из ядра в процессе деления может вызвать в свою очередь деление соседнего ядра, которое также испускает нейтроны. В результате число делящихся ядер быстро возрастает. Реакция вызывается нейтронами и в результате этой реакции также образуются нейтроны.

Запись в тетради: реакция, в которой частицы, вызывающие ее, образуются как продукт этой реакции, называется цепной ядерной реакцией. («Открытая физика», ч.2,

цепная реакция).

При делении 1 ядра выделяется 200 МэВ энергии, а при полном делении всех ядер в 1 грамме урана выделяется столько энергии, сколько при сгорании 3 тонн угля или 2,5 тонн нефти

Проблема: почему кусок урана при облучении его нейтронами не взрывается? Как осуществить цепную реакцию? Какие условия для этого необходимы?

1. что нужно для начала реакции? (ответ: нейтрон и уран).

Где взять первый нейтрон, ту «спичку», которая вызовет «ядерный пожар»?.

1940 г. Работа Флерова Г.Н. и Петржака К.А.

2) любые ли ядра урана будут делиться под действием нейтронов?

(изотопы урана)

3) как велика должна быть масса урана?

(Работы Зельдовича и Харитона в1940 г.)

Вывод: для осуществления цепной реакции необходимы следующие условия:

1. обогащение урана изотопом уран-235;

2. наличие «критической» массы металлического урана (50 кг в форме шара радиусом 9 см.)

3. замедление нейтронов (работа группы «мальчуганов» под руководством Э. Ферми).

Для осуществления цепной реакции необязательно, чтобы каждый новый нейтрон вызывал деление ядра, достаточно, чтобы среднее число выделяющихся нейтронов не уменьшалось. Тогда коэффициент размножения нейтронов будет не меньше 1.

Запись в тетради: Коэффициентом размножения нейтронов называется отношение числа нейтронов в каком-либо поколении к числу нейтронов предыдущего поколения.

Если К<1 - реакции нет,

К =1 - идет стационарная реакция,

К >1 - реакция идет в форме взрыва.

Осуществить цепную реакцию можно и с помощью ядер плутония.

(Т=2 дня)

(Т=24000 лет) (Т=23 мин)

Для практического использования ядерной энергии служит управляемая цепная реакция. Для ее осуществления необходимо специальное устройство, называемое ядерным реактором. («Открытая физика», ч.2- ядерный реактор).

Рассказ учителя о работе ученых по созданию ядерного реактора в Чикаго

Под руководством Э.Ферми (Ю.А. Корякин «Биография атома»)

Первый реактор запущен 2 декабря 1942 г. Предназначен он был для создания

атомной бомбы.

Трагедия Хиросимы и Нагасаки (из воспоминания очевидцев событий )

Вот результаты взрыва первой бомбы:

78 150 убитых,

13 983 пропавших без вести,

9 428 тяжелораненых, 27997 легкораненых.

« Я ни капли не горжусь проделанной нами работой… Единственный смысл ее состоит в том, чтобы заставить человечество быть миролюбивым. Теперь невозможно представить себе что-нибудь другое, кроме мира. Но,к несчастью, всегда находится некто, кто не раздумывает…»-. Хидженботтэм, американский ученый, участник работ по созданию атомной бомбы.

В Советском Союзе работа по созданию ядерного реактора велась на Урале под руководством И.В Курчатова.

Несмотря на трудные военные годы, советское правительство предоставило всю возможную помощь ученым. В короткий срок промышленность страны, несмотря на большую загрузку военными заказами, изготовила все необходимые материалы и оборудование. В декабре 1946 года ядерный реактор был запущен.

Итак, две грандиозные по размаху и трудности работы были закончены. Одна в Америке, другая в Советском Союзе. Обе они привели к осуществлению цепной реакции. Но какие разные у них были конечные цели!

Финалом американских работ была гибель двух больших японских городов. Разброд, уныние и раскаяние царили среди американских ученых-атомников. Во весь рост перед ними встал вопрос :что же дальше? Продолжать совершенствовать ядерное оружие, создавать еще более ужасные средства уничтожения людей? Другими словами, стать безропотными исполнителями злой воли, участниками подготовки к уничтожению материальных и духовных ценностей человечества в ядерной войне? Может ли быть что-нибудь страшнее для ученого-творца этих ценностей!

Другой финал у нас. У советских ученых осуществление цепной реакции было лишь этапом на пути к конечной цели. Эта цель- мирное применение атомной энергии. Колоссальная энергия, выделяющаяся при цепной реакции, должна быть использована для блага человека. А раз так, нужно, засучив рукава, приступать к осуществлению следующей задачи - энергетическому использованию цепной реакции, т.е. строить атомную электростанцию (Физика. Библиотека наглядных пособий. Атомная электростанция). Эта задача была решена 27 июня 1954 года в Советском Союзе была введена в строй атомная электростанция полезной мощностью 5000 киловатт.

12 сентября 1959 года был спущен на воду необычный корабль - атомный ледокол «Ленин». Для приведения в действие его турбин также была использована атомная энергия.

И ветры, и бури, и штормы,

И Арктики льды, как гранит,

Под флагом Отчизны любимой,

Гигант ледокол победит …

Путь добрый тебе, наш красавец,

Свершение смелых идей!

И атом нам служит для мира,

Для счастья советских людей».

В настоящее время «мирный атом приобрел еще много профессий (рассказ о работе ученых ВФЯЦ г. Снежинск)

3. Закрепление изученного материала (фронтально)

1) Цепная ядерная реакция, условия для ее осуществления.

2) Вклад советских ученых в разработку данной проблемы.

3) Устройство и принцип действия ядерного реактора.

4) Использование ядерной энергии.

5) Вычислите суточный расход урана в ядерном реакторе с тепловой мощностью 3 ГВт. Сколько нефти потребовалось бы сжигать в сутки для получения такой же мощности?

Подведение итога урока

Домашнее задание: п. 108-110.