Цель: сформировать у учащихся представление о делении ядер урана.
Задачи:
- проверить ранее изученный материал;
- рассмотреть механизм деления ядра урана;
- рассмотреть условие возникновения цепной реакции;
- выяснить факторы, влияющие на протекание цепной реакции;
- развивать речь и мышление учащихся;
- развивать умение анализировать, контролировать и корректировать собственную деятельность в рамках заданного времени.
Оборудование: компьютер, проекционная система, дидактический материал (тест “Состав ядра”), диски “Интерактивный курс. Физика 7-11кл” (Физикон) и “1С-репититор. Физика” (1С).
Ход занятия
I. Организационный момент (2’).
Приветствие, объявление плана занятия.
II. Повторение ранее изученного материала (8’).
Самостоятельная работа учащихся – выполнение теста (приложение 1). В тесте необходимо указать один верный ответ.
III. Изучение нового материала (25’). По ходу урока составляем конспект (приложение 2).
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? (выслушиваю предположения учащихся)
А давайте проверим ваши предположения (работа с интерактивной моделью “Деление ядра” “Интерактивный курс. Физика 7-11кл”).
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.
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?
– (выслушиваю предположения учащихся, проверяем предположения, работая с интерактивной моделью “Цепная реакция” “1С-репититор. Физика”).
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 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.
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?
– 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.
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 (4’).
Давайте подведем итоги.
V. Домашнее задание (1’).
§ 66,67, вопросы в конце параграфов.