Урок в 9 классе Цепные реакции. Деление ядер урана
учебно-методический материал по физике (9 класс) по теме

Физика дала в руки человека наиболее мощные источники энергии, чем резко увеличила власть человека над природой. В школе физика должна рассматриваться как один из предметов, выполняющих не только познавательную, но также развивающую и воспитательную функции. Этот предмет содержит мощный гуманитарный потенциал, имеющий непосредственное отношение к развитию мышления, формированию мировоззрения, раскрытию целостной картины мира через основные законы и принципы природы, воспитанию эстетического чувства, развитию духовности.

Урок по физике в 9 классе

«Деление ядер урана. Цепная реакция»

И твердит Природы голос:
В вашей власти, в вашей власти,
Чтобы все не раскололось
На бессмысленные части!
Л.Н.Мартынов

Цель урока: ознакомить учащихся с процессом деления атомных ядер урана,   механизмом протекания цепной реакции.

Задачи:

образовательные:

изучить механизм деления ядер урана-235; ввести понятие критической массы; определить факторы, определяющие протекание цепной реакции.

воспитательные:

подвести учащихся к пониманию значимости научных открытий и той опасности, которая может  исходить от научных достижений при бездумном, неграмотном или безнравственном отношении с ними.

развивающие:

развитие логического мышления; развитие монологической и диалогической речи; развитие у учащихся мыслительных операций: анализа, сравнения, обучения. Формирование представления о целостности картины мира

Тип урока: урок усвоения новых знаний.

Компетенции, на формирование которых направлен урок: 

1. ценностно-смысловые - способность видеть и понимать окружающий мир,
2. общекультурные - освоение учеником научной картины мира,
3. учебно-познавательные - умение отличать факты от домыслов,
4. Коммуникативные - навыки работы в группе, владение различными социальными ролями в коллективе,
5. компетенции личностного самосовершенствования- культуры мышления и поведения

Ход урока:

(слайд 1)

Здравствуйте, ребята! Сегодня я хочу начать наш урок  с истории и рассказать о не таких уж далеких событиях. Середина 20 века определяется акселерацией науки: фантастическим ускорением, внедрением научных достижений в производство и в нашу жизнь. Всё это заставляет нас задуматься – что же даст нам наука завтра?
Облегчить все тяготы существования человека – вот основная цель подлинно прогрессивной науки. Сделать человечество более счастливым – ни одного, не двух, а именно человечества. И это очень важно, потому что, как известно, наука может выступить и против человека. Атомный взрыв в японских городах – Хиросима и Нагасаки трагический тому пример.

Итак, 1945 год, август. Вторая мировая война идет к своему завершению.

(Слайд 2)

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

(Слайд 3)

Хиросима после атомного взрыва.

Чья там бродит тень незримо,
От беды ослепла?
Это плачет Хиросима
В облаках из пепла.
Чей там голос в жарком мраке
Слышен иступлённый?
Это плачет Нагасаки
На земле сожженной
В этом плаче и рыданье
Никакой нет фальши,
Мир весь замер в ожиданье –
Кто заплачет дальше?

(Слайд 4)

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.

(Слайд 5)

6 августа, после получения известия об успешном проведении атомной бомбардировки Хиросимы, Президент США Трумэн заявил, что

«Мы сейчас готовы уничтожить, ещё быстрее и полнее чем раньше, все наземные производственные мощности японцев в любом городе. Мы уничтожим их доки, их фабрики, и их коммуникации. Пусть не будет никакого недопонимания — мы полностью уничтожим способность Японии вести войну»

(Слайд 6)

В 2:47 9 августа американский бомбардировщик B-29 под командованием майора Чарльза Суини, нёсший на борту атомную бомбу, взлетел с острова Тиниан. В 10:56 В-29 прибыл к Нагасаки. Взрыв произошёл в 11:02 местного времени.

(Слайд 7)

Количество погибших к концу 1945 года составило от 60 до 80 тысяч человек. По истечении 5 лет, общее количество погибших, с учётом умерших от рака и других долгосрочных воздействий взрыва, могло достичь или даже превысить 140 000 человек.

Такова история, печальная и предостерегающая

Каждый человек – не есть остров,

каждый человек – это часть большого континента.
И никогда не спрашивай, по ком звонит колокол.
Он звонит по тебе...

А теперь попробуем рассмотреть предысторию создания атомной бомбы, и выяснить каким образом выделяется такая огромная энергия за очень короткое время. Тема сегодняшнего урока «Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция»

(Слайд 8)

Для начала вспомним некоторые понятия, определения и явления, которые необходимы для изучения этого вопроса.

Актуализация знаний. (слайд 9-11)

(ученики делятся на группы, за активность, каждая группа получает баллы)

Итак, начинаем рассказ о предыстории вопроса.  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?

 (Слайд 12)

В 1939 году немецкими учеными 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 др.

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.

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.

 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.

 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.

(Слайд 13)

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

Обратим внимание,  что энергия, выделяющаяся при делении ядер урана огромна.  Например, при  полном делении всех ядер, содержащихся в 1 кг урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3000 т угля. При том эта энергия может выделиться мгновенно.

(Слайд 14)

Выяснили, что произойдет с осколками, а как поведут себя нейтроны?

 При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением 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 т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. (Запись в тетрадь: Цепна́я я́дерная реа́кция — последовательность ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности). Схема развития цепной реакции деления ядер урана рассмотрим более подробно по видеофрагменте в замедленном темпе для более детального рассмотрения

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 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 все время оставалось постоянным?

– (предложения ребят)

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.

(Слайд 15)

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?

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 лишь ядер этого же урана, на долю которого в природном уране приходится всего лишь 0,7 %. Такая концентрация оказывается недостаточной для начала цепной реакции. ИзотопU также может поглощать нейтроны, но при этом не возникает цепной реакции. 

(Запись в тетрадь: Коэффициент размножения нейтронов k — отношение числа нейтронов последующего поколения к числу в предшествующем поколении во всём объеме размножающей нейтроны 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.

(Запись в тетрадь: Критическая масса —  минимальное количество делящегося вещества, необходимое для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления).

(Слайд 16)

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 вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода H2O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

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

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

Запись в тетрадь:

Критическую массу можно уменьшить, если:

1. Использовать замедлители (графит, обычная и тяжелая вода)
2. Отражающая оболочка (бериллий)).

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.

На этом мы закончим предысторию создания атомной бомбы. Атомная бомба – это страшное оружие. Поражающими факторами которой являются: 1) Световое излучение (включая сюда ренгеновское и тепловое излучение); 2) Ударная волна; 3)радиационное заражение местности. Но деление ядер урана используют и в мирных целях – это в атомных реакторах на АЭС. Процессы, происходящие в этих случаях мы рассмотрим на следующем уроке.

 А сейчас, мы закрепим пройденный материал, выполнив тестовое задание. (Ученики выполняют тестовое задание по теме «Состав атомного ядра. Ядерные реакции»). Время выполнения – 5 мин.

Ответы: Вариант 1. 1)1; 2)2; 3)3; 4)1; 5)3; 6)3; 7)3; 8)2.

        Вариант 2. 1)1; 2)3; 3)2; 4)2; 5)3; 6)2; 7)2; 8)2.

Природа на Земле распорядилась так, что возник человек разумный. Только хватило бы человеку разума,  чтобы все свои творения пустить во благо, а не во вред человечеству.

(Слайд 17)

По этому поводу очень хорошо сказал российский физик и общественный деятель САХАРОВ Андрей Дмитриевич

 Да, пора эйфории безвозвратно ушла.

На науке лежит преступленье,

Но к ученым, повинным в создании зла,

Постепенно приходит прозренье.                 А. Д. Сахаров

Техника и технология нынешнего времени, основанные на новейших достижениях науки, требуют особого, бдительного отношения к себе. Прежде чем их создавать и использовать, нужно просчитать и предвидеть последствия, причем во множестве аспектов (а не в одном!). И если последствия неизвестны, то требуется сначала их обнаружение, тщательное и всестороннее исследования. Спешка, не владение всем комплексом информации недопустимы. Ведь создаваемые или внедряемые без такого учета технические установки, будь они мирного назначения или военного, а также производственные линии могут оказать вредное воздействие на Природу, Человека – его здоровье, психическое состояние, генофонд.

С техникой XX и начала XXI века нужно быть на Вы. Проблемы нравственности и ответственности перед Людьми, Миром и Жизнью за научно-технические творения и связанные с ними решения приобретают для деятелей науки и техники, руководителей всех рангов этих отраслей и государства первостепенное значение.

Ныне, каждый должен отчетливо понимать опасность, которая исходит от техники при бездумном, неграмотном или безнравственном отношении с нею.

Д/з:

1. Параграф учебника  «Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция».
2. Задача:

Один из путей, которыми осуществляется деление ядер урана при бомбардировке нейтроном, выглядит следующим образом:

Осколки деления – цезий и рубидий – претерпевают превращения:

Какие радиоактивные распады претерпевают цезий и рубидий. Как вы думаете, почему это происходит?

Задача раздается индивидуально каждому на заранее подготовленных карточках.

3. Задание по группам :

Учащиеся по группам представляют материал об атомной бомбардировке японских городов Хиросима и Нагасаки по вопросам:

1. Имеет ли последствия ядерного конфликта глобальный характер, в чём это выражается?
2. Когда прекратится это безумие и человечество перестанет заниматься самоуничтожением?
3. При каких условиях, по вашему мнению, это возможно?

1-я группа представляет мнение историков;
2-я группа представляет мнение учёных-физиков;
3-я группа представляет мнение военных;
4-я группа представляет мнение биологов и медиков;
5-я группа представляет мнение творческой интеллигенции.

Приложение

Записи в тетради по новой теме:

Тема: Деление ядер урана. Цепная реакция.

В 1939 году немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман   было открыли деление ядер урана.

Цепна́я я́дерная реа́кция — последовательность ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности.

Коэффициент размножения нейтронов k — отношение числа нейтронов последующего поколения к числу в предшествующем поколении во всём объеме размножающей нейтроны среды.

Критическая масса —  минимальное количество делящегося вещества, необходимое для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления.

Критическую массу можно уменьшить, если:

1. Использовать замедлители (графит, обычная и тяжелая вода)
2. Отражающая оболочка (бериллий)

Тестовое задание по пройденной теме:

Ответы: Вариант 1. 1)1; 2)2; 3)3; 4)1; 5)3; 6)3; 7)3; 8)2.

        Вариант 2. 1)1; 2)3; 3)2; 4)2; 5)3; 6)2; 7)2; 8)2.

Строение атомного ядра. Ядерные реакции.

Вариант 1.

1. Какой заряд имеет ядро?

1) положительный            2) отрицательный              3) ядро заряда не имеет

2. Что представляет собой альфа – частица?

1) электрон                        2) ионизированный атом гелия                

3) электромагнитное излучение

 3. Сколько протонов и нейтронов содержит ядро атома бериллияBe

1) Z=9, N=4                2) Z=5, N=4                3) Z=4, N=5

4. Ядро какого химического элемента образуется при α – распаде радия?

Ra → ? + He.

1) радона                 2) урана                3) фермий

5. Масса ядра всегда … суммы масс нуклонов, из которых оно состоит.

1) больше                2) равна                3) меньше

6. Нейтрон – это частица,

1) имеющая заряд +1, атомную массу 1;                

2) имеющая заряд – 1, атомную массу 0;

3) имеющая заряд 0, атомную массу 1.

7. Укажите второй продукт ядерной реакции

1)n;                2) p;                3).

 8. В ядерных реакторах тяжелая вода, используются в качестве замедлителя. Что она должна замедлять?

1) Скорость прохождения ядерной реакции;

2) Быстрые нейтроны;

3)Скорость движения ядер урана.

Строение атомного ядра. Ядерные реакции.

Вариант 2.

1. Какой заряд имеет атом?

1) атом электрически нейтрален        2) отрицательный

3) положительный

2.  Что представляет собой бета – частица?

1) полностью ионизированный атом гелия        

2) один из видов электромагнитного излучения

3) электрон

3. Сколько протонов и нейтронов содержит ядро атома алюминияAl        1) Z=13, N=27        2) Z=13, N=14        3) Z=27, N=13

4. Ядро какого химического элемента образуется при β-распаде калия?

K → ? +  e

1) фтор                2) кальций                3) аргон

5. Какие силы позволяют нуклонам удерживаться в ядре?

1) гравитационные        2) электромагнитные        3) ядерные

6. Изотопы – это…

1) элементы с одинаковым количеством протонов и одинаковым количеством нейтронов;

2) элементы с одинаковым количеством протонов и разным количеством нейтронов;

3) элементы с разным количеством протонов и одинаковым количеством нейтронов.

 7. Определите второй продукт ядреной реакции.  .

1) α – частицу;        2) нейтрон;                3) электрон.

8. Что называется критической массой урана?

1)  Минимальная масса атомной бомбы;

2)  Минимальная масса урана необходимая для осуществления цепной реакция;

3)  Дополнительная масса вещества для остановки цепной реакции в критических случаях.