ПУ_Термоядерные_реакции

Раздел долгосрочного плана:

Раздел (9.4 В): Атомное ядро

Школа:

Дата:

ФИО учителя:

Класс: 9 класс

Количество присутствующих:

отсутствующих:

Тема урока

Термоядерные реакции. Радиоизотопы, защита от радиации

Цели обучения, которые достигаются на данном  уроке (ссылка на учебную программу)

9.6.2.6 - сравнивать ядерный синтез и ядерный распад;

9.6.2.7 - приводить примеры использования радиоактивных изотопов;

9.6.2.8 - характеризовать способы защиты от радиации.

Цели урока

знакомство с термоядерными реакциями

Критерии оценивания

-                  знает, что такое ядерный синтез;

-                  знает в чем различие между ядерным распадом и ядерным синтезом;

-                  приводит примеры применения радиоактивных изотопов;

-                  описывает способы защиты от радиации.

Языковые цели

Лексика и терминология:

Привитие ценностей

Понимание роли  и достижения физики в различных областях человеческой деятельности, таких как технология, коммуникация, медицина, сельское хозяйство, различные виды промышленности и энергетики.

Межпредметные связи

Межпредметная связь с химией

Навыки использования ИКТ

Использование презентации, видеофрагментов.

Предварительные знания

Должны знать строение атома, изотопы, виды фундаментальных сил,

 энергия связи, какие параметры сохраняются во время ядерной реакции.

Ход урока

Запланированные этапы урока

Запланированная деятельность на уроке

Ресурсы

Начало

0-5 мин

Организационный момент.

Приветствие, проверка готовности к уроку.

Актуализация знаний:

1. Что называют ядерной реакцией?

2. Какие законы сохранения выполняются во время ядерной реакции?

3. Как осуществляется ядерная реакция?

4. Каково значение ядерных реакций для человека?

5. Как можно получить внутреннюю энергию ядра?

Учитель формулирует тему урока, цели обучения, вместе с учащимися формулирует цели урока

Презентация

5-20 мин

Изучение нового материала

Термоядерная реакция — это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые ядра.

Для ее осуществления необходимо, чтобы исходные нуклоны или легкие ядра сблизились до расстояний, равных или меньших радиуса сферы действия ядерных сил притяжения (т.е. до расстояний порядка 10^–15 м). Такому взаимному сближению ядер препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. 

Для возникновения реакции синтеза необходимо нагреть вещество большой плотности до сверхвысоких температур, чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер оказалась достаточной для преодоления кулоновских сил отталкивания. 

При таких температурах вещество существует в виде плазмы.

На примере урана ранее было показано, что при деление тяжелых ядер может выделяться энергия. В случае с легкими ядрами энергия может выделяться при обратном процессе — при их синтезе. Причем реакция синтеза легких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжелых (если сравнивать выделившуюся энергию, приходящуюся на один нуклон).

Таким образом, в термоядерных реакциях выделяется огромная энергия. Примеры термоядерных реакций:

Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в недрах звезд (в том числе Солнца) и играют важнейшую роль в существовании и развитии Вселенной.

На Земле первая термоядерная реакция была осуществлена при взрыве водородной бомбы. Высокую температуру, необходимую для начала термоядерной реакции, в водородной бомбе получали в результате взрыва входящей в ее состав атомной бомбы, играющей роль детонатора, а термоядерным горючим являлся дейтерид лития. Сначала в водородной бомбе взрывается атомная бомба. Этот взрыв сопровождается резким ростом температуры, а также возникновением потока нейтронов. Нейтроны вступают в реакцию с изотопом лития, образуют тритий, затем инициируется термоядерная реакция, которая дает основное выделение энергии.

Термоядерные реакции, происходящие при взрывах водородных бомб, являются неуправляемыми. Если бы в земных условиях была возможность осуществлять легко управляемые термоядерные реакции, человечества получило бы практически неисчерпаемый источник энергии, так как запасы водорода на Земле огромны. Однако на пути осуществления энергетически выгодных управляемых термоядерных реакций стоят большие технические трудности. Прежде всего, необходимо создавать температуры порядка 10⁸ К. Только при такой температуре газ почти полностью ионизируется, превращаясь в плазму, в которой и происходит синтез ядер. Такие сверхвысокие температуры могут быть получены путем создания в плазме электрических разрядов большой мощности. Также, для удержания плазмы, необходимо создание очень сильных магнитных полей.

Этот метод используют в установках типа "Токамак", впервые созданных в Институте атомной энергии имени Курчатова.

В таких установках плазму создают в тороидальной камере, являющейся вторичной обмоткой мощного импульсного трансформатора. Его первичная обмотка подключена к батарее конденсаторов очень большой емкости, камеру заполняют дейтерием.

При разряде батареи конденсаторов через первичную обмотку в тороидальной камере возбуждается вихревое электрическое поле, вызывающее ионизацию дейтерия и появление в нем мощного импульса электрического тока, что приводит к сильному нагреванию газа и образованию высокотемпературной плазмы, в которой может возникнуть термоядерная реакция. Главная трудность заключается в том, чтобы удержать плазму внутри камеры в течение от 0,1 до 1 секунды без ее контакта со стенками камеры, поскольку не существует материалов, способных выдерживать столь высокие температуры. Эту трудность удается частично преодолеть с помощью тороидального магнитного поля, в котором находится камера. Под действием магнитных сил плазма скручивается в шнур и как бы "висит" на линиях индукции магнитного поля, не касаясь стенок камеры. Однако плазма в магнитном поле очень неустойчива и плазменный шнур распадается прежде, чем удается нагреть плазму до нужной температуры.

Пока удалось получать плазму с температурой 1,3×10⁷ К и удерживать ее в течение 60 — 80 мс на установке "Токамак-10". Для увеличения продолжительности существования управляемой термоядерной реакции необходимо увеличивать размеры установки, поэтому в настоящее время строится новая большая установка "Токамак-20".

Хотя уже сейчас, говорят, что группе китайских ученых удалось стабилизировать плазму на рекордные 30 секунд. Осуществить это позволило усовершенствование токамака EAST в городе Хэфей, который и использовался для эксперимента.

Использование установок типа "Токамак" (в которых для получения и нагревания плазмы используется мощный электрический разряд, а для удержания плазмы магнитное поле) является одним из возможных путей осуществления управляемых термоядерных реакций, другим путем достижения этой цели является лазерный термоядерный синтез. Сущность такого метода состоит в следующем. Замороженную смесь дейтерия и трития, приготовленную в виде шариков диаметром менее 1 мм, равномерно облучают со всех сторон мощным лазерным излучением. Это приводит к нагреванию и испарению вещества с поверхности шариков. При этом давление внутри шариков возрастает до величин порядка 10¹⁵ Па. Под действием такого давления происходят увеличение плотности и сильное нагревание вещества в центральной части шариков и начинается термоядерная реакция.

Благодаря термоядерным реакциям, протекающим в недрах Солнца, выделяется энергия, дающий жизнь обитателям Земли. Солнце излучает в пространство свет и тепло уже почти 4,6 миллиарда лет.

Естественно, что во все времена ученых интересовал вопрос о том, что является топливом, за счет которого на Солнце вырабатывается огромное количество энергии в течении столь длительного времени. На этот счет существовали разные гипотезы. Оригинальная гипотеза была выдвинута в середине ХIХ в. Она состояла в том, что увеличение внутренней энергии и соответствующее повышение температуры Солнца происходит за счет уменьшения его потенциальной энергии при гравитационном сжатии. Она тоже оказалась несостоятельной, так как в этом случае срок жизни Солнца увеличивается до миллионов лет, но не до миллиардов.

Предположение о том, что выделение энергии на Солнце происходит в результате протекания на нем термоядерных реакций, было высказано в 1939 г. американским физиком Хансом Бете. Именно за это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году.

Им же был предложен так называемый водородный цикл, т. е. цепочка из трех термоядерных реакций, приводящая к образованию гелия из водорода.

Чтобы получилось два ядра  необходимые для третьей реакции, первые две должны произойти дважды.

Презентация

20-27 мин

Просмотр видеоролика о получении и применении радиоактивных изотопов.

После просмотра видеоролика учащиеся должны ответить на следующие вопросы:

1.      Что такое радиоизотопы? Как их получают?

2.      Какие атомы называются мечеными?

3.      Где и в каких целях применяются радиоактивные изотопы?

Видеоролик

27-39 мин

Просмотр видеоролика о способах защиты при радиационных авариях и радиоактивном загрязнении местности.

Во время просмотра видеоролика учащиеся должны выполнить задание на карточках.

Видеоролик, раздаточный материал

39-40 мин

Рефлексия.

Продолжите предложение

«Сегодня на уроке

Я повторил …

Я закрепил …

Я научился …

Я узнал …»

Домашнее задание:

Учащиеся должны провести исследование в группах и сделать презентацию по одной из  следующих тем:

·         транспортировка ядерных материалов

·         последствия аварии в Чернобыле

·         последствия аварии на Фукусиме

·         вывод из эксплуатации ядерных реакторов

·         аргументы за и против использования атомной энергии

·         обращения с радиоактивными источниками в больницах

·         последствия от испытаний ядерного оружия

·         последствия бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки.

Дифференциация – каким образом Вы планируете оказать больше поддержки? Какие задачи Вы планируете поставить перед более способными учащимися?

Оценивание – как Вы планируете проверить уровень усвоения материала учащимися?

Здоровье и соблюдение техники безопасности

Все учащиеся:

смогут сравнивать ядерный синтез и ядерный распад; приводить примеры использования радиоактивных изотопов; характеризовать способы защиты от радиации

Большинство учащихся:

смогут описать принцип работы «токамака»

Некоторые ученики:

смогут назвать трудности которые стоят на пути осуществления энергетически выгодных управляемых термоядерных реакций

Посредством фронтальных вопросов.

Посредством заданий в течение всего урока

Здоровье и техника безопасности:

Соблюдение правил поведения в кабинете.                                  

Рефлексия по уроку

Были ли цели урока/цели обучения реалистичными?

Все ли учащиеся достигли ЦО?

Если нет, то почему?

Правильно ли проведена дифференциация на уроке?

Выдержаны ли были временные этапы урока?

Какие отступления были от плана урока и почему?

Используйте данный раздел для размышлений об уроке. Ответьте на самые важные вопросы о Вашем уроке из левой колонки. 

Общая оценка

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

1:

2:

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

1:

2:

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