План урока. Деление ядер урана

Дата:

ФИО учителя:

Класс:

Количество присутствующих:

Количество отсутствующих:

Раздел долгосрочного плана:

10.4B –Физика атома и ядра

Тема урока:

Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции. Основные элементы ядерного реактора.

Цели обучения, которые достигаются на данном уроке

10.6.2.7- описывать процесс деления тяжелых ядер и условий протекания цепной ядерной реакции;

10.6.2.8- объяснять принцип работы ядерного реактора

Критерииоценивания

Учащийся      

описывает процесс деления тяжелых ядер и условий протекания цепной ядерной реакции;

объясняет принцип работы ядерного реактора

Языковые цели

Лексика и терминология

Полезные выражения для диалогов и письма:

Время необходимое половине нуклидов для распада постоянно.

Время, необходимое для снижения активности источника на  половину любой исходной величины постоянно.

Энергия источника прямо пропорциональна числу нестабильных нуклидов в источнике.

Привитие ценностей

Взаимопомощь при работе в парах, академическая честность

Воспитание глобальной гражданственности

Атомная энергетика (мирный атом)

Аутентичность обучения

Человек постоянно подвергаемся гамма-облучению, оно приходит к нам сквозь толщу атмосферы из космоса, пробивается сквозь слой грунта и стены домов.

Биологическая защита от радиации

Межпредметные связи

Химия, строение атома

Предварительные знания

10 класс: молекулярно-кинетическая теория; силы, существующие между заряженными частицами

Ход урока

Запланированные этапы урока, время

Запланированная деятельность на уроке

Ресурсы

Начало 1 урока

1-3 мин

4-12 мин

(W) Организационный момент.

Доля ядерной энергии некоторых стран.

Знакомство с темой урока.

Совместно с учащимися определяем цели и критерии урока.

(I) Индивидуальное выполнения теста. Взаимопроверка.

Презентация

Середина 1 урока

13-38 мин

(W) Изучение нового материала.

В 1939 году немецкими учёными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом было открыто деление ядер урана. Они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария ( Z = 56 ), криптона (Z = 36 ) и другие.

Наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания. Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией.

Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM должна быть положительной.

Законы сохранения при ядерных реакциях

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т.е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.

Механизм ядерных реакций

Два этапа ядерной реакции:

• поглощение частицы ядром и образование возбужденного ядра. Энергия распределяется между всеми нуклонами ядра, на долю каждого из них при этом приходится энергия, меньшая удельной энергии связи, и они не могут проникнуть в ядро. Нуклоны обмениваются между собой энергией, и на одном из них или на группе нуклонов может сконцентрироваться энергия, достаточная для преодоления сил ядерной связи и освобождения из ядра.
• испускание частицы ядром происходит подобно испарению молекулы с поверхности капли жидкости. Промежуток времени от момента поглощения ядром первичной частицы до момента испускания вторичной частицы составляет примерно 10^-12с.

Рассмотрим более подробно процесс деления ядра урана при бомбардировке нейтроном по рисунку.

Нейтрон, попадая в ядро урана, поглощается им. Ядро возбуждается и начинает деформироваться подобно жидкой капле. Оно растягивается до тех пор, пока электрические силы отталкивания не начнут преобладать над ядерными. Ядро разрывается на два осколка, выбрасывая при этом два или три нейтрона. Такова технология деления ядра урана.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов :  (99,3 %) и  (0,7 %). При этом реакция деления  наиболее интенсивно идет на медленных нейтронах, в то время как ядра  просто поглощают нейтрон, и деление не происходит. Поэтому основной интерес представляет ядерная реакция деления ядра . В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Дветипичныереакцииделенияэтогоядраимеютвид :

Обратим внимание, что энергия выделяющаяся при делении ядра урана огромна. Например, при полном делении всех ядер, содержащихся в 1 кг урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 000 тонн угля. При том, эта энергия может выделиться мгновенно.

При делении ядра урана – 235, которое вызвано столкновение с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и так далее. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.

Просмотр видеоролика: имитация цепной ядерной реакции

Запишите определение в тетрадь :цепная ядерная реакция – последовательность ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности.

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы.

Другими словами в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция – часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции. Нейтроны, освободившиеся при делении ядер урана – 235, способны вызвать деление ядер лишь этого же урана, на долю которого в природном уране приходится всего лишь 0,7 %. Такая концентрация оказывается недостаточной для начала цепной реакции. Изотоп  также может поглощать нейтроны, но при этом не возникает цепной реакции.

Запишите определение в тетрадь :коэффициент размножения нейтронов к – отношение числа нейтронов последующего поколения к числу в предыдущем поколении во всем объеме размножающей нейтронной среды.

Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана – 235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую  критическую массу. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого урана – 235 критическая масса составляет около 50 кг.

Запиши в тетради :критическая масса – минимальное количество делящегося вещества, необходимое для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления.

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

Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а невероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана – 235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода ₂О. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем также является графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляют свое движение.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г (0,25 кг)

Запишите в тетрадь :

Критическую массу можно уменьшить, если :

1.      Использовать замедлители ( графит, обычная и тяжелая вода

2.     Отражающая оболочка (бериллий )

Презентация

Конец 1 урока

39-40 мин

Рефлексия

Начало 2урока

1-4 мин

Организационный момент.

Совместно с учащимися определяем цели и критерии урока.

Презентация

Середина 2урока

5-38 мин

 (W) Изучение нового материала.

История ядерного реактора (в презентации)

Давайте попробуем разобраться механизмом управляемой ядерной реакции.

Устройство, в котором происходит ядерная реакция называется ядерным реактором

Ну и как же устроен ядерный реактора.

Основными элементами ядерного реактора являются:
–стержни с ядерным горючим: уран-235, плутоний-239;
– замедлитель нейтронов: тяжелая вода или графит; 
– теплоноситель для отвода выделяющейся энергии;
– регулятор скорости ядерной реакции: вещество, поглощающее нейтроны (бор, графит, кадмий).

В ядерных реакторах происходит превращение энергии

часть внутренней энергии атомных ядер урана → кинетическая энергия нейтронов и осколков ядер → внутренняя энергия воды → внутренняя энергия пара → кинетическая энергия пара → кинетическая энергия ротора турбины и ротора генератора → электрическая энергия.

(G) Работа в группах. Обсуждение проблемы. Создание кластера

1.      Необходимость построения ядерных реакторов.

2.      Негативные факторы использования ядерной энергии.

3.      Перспективы развития ядерной энергетики.

Выступление групп. Дискуссия.  

Обратная связь:

Что вы сегодня узнали на уроке?

1.      Механизм деления ядер урана.

2.      Расскажите о механизме протекания цепной ядерной реакции.

3.      Приведите пример ядерной реакции деления ядра урана.

4.      Что называется критической массой?

5.      Как идет цепная реакция в уране, если его масса меньше критической, больше критической?

6.      Чему равна критическая масса урана 295, можно ли уменьшить критическую массу?

7.      Какими способами можно изменить ход цепной ядерной реакции?

8.      С какой целью замедляют быстрые нейтроны?

9.     Какие вещества используют в качестве замедлителей?

Презентация

Конец 2 урока

39-40 мин

Рефлексия

Презентация

Домашнее задание

Домашнее задание: Подготовить сообщение и презентацию «Использование отходов атомных электростанций», «Выработка топливных таблеток», «Обзор ядерной энергетики во всем мире». Лучшие презентации будут представлены на следующий урок

Здоровье и соблюдение техники безопасности

Соблюдение техники безопасности в кабинете физики

Общая оценка

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Какие аспекты урока прошли хорошо (подумайте, как о преподавании, так и об обучении)?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Что могло бы способствовать улучшению урока (подумайте, как о преподавании, так и об обучении)?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Что я выявил(а) за время урока о классе или достижениях/трудностях отдельных учеников, на что необходимо обратить внимание на последующих уроках?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________