高中物理核能的利用(1)

核能的发现和利用1、铀原子核裂变现象的发现铀原子核裂变现象的发现还得从美籍意大利物理学家费米利用中子轰击铀核的实验研究工作谈起。

当人工放射性核素发现以后，科学家们就纷纷利用α粒子、质子以及中子去轰击周期表上各种元素，以求获得更多的人工放射性核素。

而费米就是利用α粒子轰击铍能发射中子的核反应过程，把镭和铍均匀混合在一起，就可以制成能发射大量中子的镭－铍中子源。

然后，利用这些中子去轰击各种元素，并用自制的高灵敏度盖革—弥勒计数管进行测量。

结果发现将近六十多种被中子照射过的元素中，约有四十多种能产生放射性核素。

后来，费米在长期的实验工作中发现，如果把所用的镭－铍中子源加以适当改进，在中子源和银圆筒之间加上一层石蜡或其它含氢物质，就能使银的放射性强度大大增加，这可从盖革—弥勒计数管上得到反映。

这是因为镭－铍中子源所发射的快中子能量很大，不易和银发生反应。

现在通过石蜡后快中子被减速成热中子，其能量和分子热运动能量相当，即能量为0.0253电子伏或速度为每秒2200米。

由于热中子运动速度很慢，它在核周围的停留时问就会加长，因此和核作用的机会也就越多，所产生的放射性也就越强，计数就大大增加。

费米在获得热中子后，重新对铀核进行轰击试验。

看它能否被铀核俘获生成更多的原子序数大于92的93、94……一系列超铀元素。

然而，大量实验结果证明，在铀核俘获中子后的生成物中，呈现出非常复杂的辐射成分。

在测量中发现它们是由多种β射线所组成，先后共测得四种不同能量的β射线，根据它们辐射强度随时间衰减的曲线分析，得到四种不同的半衰期，分别为10秒、40秒、12分和90分。

而费米及其助手当时也无法从这些复杂的放射性物质中识别出事先想找到的93号新元素。

这是因为他们中间缺少精通化学分析的科学家。

即使在这些新产生的放射性物质中确已存在93号元素，他们也不能用化学方法由辨别它们。

由于费米及其同事在生产人工放射性核素中一直认为元素俘获一个中子后，经过β衰变能生成原子序数增加1的新元素，所以费米等人总是专心致志地去寻找原子序数比铀更大的超铀元素。

物理总复习：核能、核能的利用编稿：xx 审稿：xx【考纲要求】1、知道核力及结合能、质量亏损等概念2、会配平和书写核反应方程式3、知道核能获取的两种方式，了解核反应堆的主要组成部分，能进行简单的有关核能的计算问题【考点梳理】考点一、核能要点诠释：1、核力核子间作用力。

其特点为短程强引力：作用范围为2.0×10－15m，只在相邻的核子间发生作用。

2、核能核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能。

比结合能：结合能与核子数之比称做比结合能，也叫平均结合能。

比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。

不同原子核的比结合能是不一样的，由比结合能曲线可以看出：中等大小的核比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。

3、质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E＝mc2说明物体的质量和能量之间存在着一定的关系，一个量的变化必然伴随着另一个量的变化。

核子在结合成原子核时放出核能，因此，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小△m，这就是质量亏损。

由质量亏损可求出释放的核能△E＝△mc2；反之，由核能也可求出核反应过程的质量亏损。

4、△E＝△mc2是计算核能的常用方法。

在具体应用中要注意单位制的统一及不同单位的换算。

若质量单位取原子质量单位u，则：此结论亦可在计算中直接应用。

另外，在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生成的新核和新粒子的动能。

因而在此情况下可应用力学原理—动量守恒和能量守恒来计算核能。

5、质能方程的理解对于质量亏损，切忌不能认为这部分质量转化成了能量，质能方程的本质是：第一，质量或能量是物质的属性之一，决不能把物质和它们的某一属性（质量和能量）等同起来。

第二，质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，方程建立了这两个属性在数值上的关系，这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒，质量和能量在量值上的联系决不等于这两个量可以相互转化。

原子能在交通上的应用《西游记》中描写的孙悟空，打一个斤斗就有十万八千里，这种腾云驾雾的飞天技术，是我们祖先伟大的幻想！近年来，随着科学技术的发展，飞机的速度都在加快，但如果要从我们祖国的首都北京飞往欧洲或非洲，还是要消耗一百多吨汽油，中途不得不几次停航加油。

这样，速度如果再提高，受到的限制就很大，其中燃料携带将占去这些交通工具本身很大的有效载荷，这是一个较难克服的限制。

原子能技术将会在交通事业上发挥它的特有作用，由于原子燃料的能量非常集中，很小的一块铀235，就会放出巨大的能量。

所以，很少重量的核燃料，就可以实现长距离的航行和运行。

而且由于燃料轻，占的体积小，这就大大提高了有效的载荷。

利用核燃料做为动力能源的原子发动机的原理，简单地说，它不过是一个小型的、结构相当紧凑的原子核电站，或者是某种特别结构的核反应堆。

原子能在交通事业上将会出现创新的局面，它在客观上等于缩短世界各国的彼此距离。

（一）航海汽核潜艇我们对它早就不陌生。

美苏两霸为了相互争夺，曾拚命建造核潜艇，到目前为止，已达二、三百艘。

一般常规的潜水艇是靠柴油内燃机推进，柴油必需在缸里与氧气充图9-2 核潜艇分燃烧才行。

所以潜艇必须在海面上运行，让柴油内燃机发动，带动发电机发电，给蓄电池充电，以便当潜艇潜入海底后，靠蓄电池放电作动力推进。

而用核反应堆作动力，可以在没有氧气的海底正常运行，所以，核潜艇原则上可以长期地在一定深度海底航行而不必浮于海面，这样它就比较便于隐蔽，可以进行突然袭击。

除了核潜艇之外，大型的新式航空母舰也有许多是靠核能作动力（见图9梍3）。

它的好处也相当显著，它可以长期在海洋游弋而不需靠岸补充燃料。

1957年下水的一艘原子破冰船，发动机的功率是四万四千马力，排水量一万六千吨。

它装一次核燃料可以足足在北冰洋破冰运行一年。

近一时期国际上还克服种种技术上的困难，建造了好几艘几万吨级的大型商船，它仅需携带很少核燃料就可以在海上航行几个月。

高中物理中的原子核中的实际应用原子核是物质世界中最基本的构建单元之一。

在高中物理中，我们学习了关于原子核结构和核反应的知识。

这些知识不仅仅是为了我们理解物理世界的本质，还有许多实际应用。

本文将介绍一些关于原子核中实际应用的领域和技术。

一、核能与核电站核能是利用原子核中的能量来产生电力的一种能源形式。

核电站是利用核裂变或核聚变反应释放的能量来产生电力的设施。

核裂变是指原子核分裂产生的过程，核聚变则是指原子核相互融合形成更重的核的过程。

核电站通过控制核反应过程中的能量释放来产生高温和高压的蒸汽，通过蒸汽驱动涡轮发电机产生电力。

核能作为清洁、高效的能源形式，在能源供应和环境保护方面具有重要意义。

二、医学放射技术原子核在医学诊断及治疗方面有着广泛的应用。

放射性同位素被广泛应用于医学影像学和治疗。

放射性同位素可以通过注射或摄入进入患者体内，在体内发出射线，并通过探测器进行检测。

利用这些数据，医生可以评估患者的器官功能和病变情况。

核医学中最常用的技术是正电子发射断层扫描（PET扫描）。

PET扫描通过注入放射性同位素，利用正电子与电子湮灭的原理，获得体内器官的代谢和功能信息，用于癌症、心脑血管疾病等病症的诊断和治疗。

三、核磁共振成像技术核磁共振成像（MRI）是一种利用原子核自旋磁矩的物理性质来成像的技术。

它可以提供高分辨率、无创伤的人体影像。

在医学诊断、生命科学研究、材料科学等领域具有重要意义。

MRI技术利用磁场和射频脉冲对核自旋进行激发和检测。

通过分析核自旋的响应和信号强度，可以构建出人体组织的影像，并对其中的病变进行诊断和治疗。

四、核技术在工业与农业领域的应用核技术在工业与农业领域也有广泛的应用。

例如，辐照技术利用核技术对物品进行辐射处理，达到灭菌、杀虫或延长保鲜期的目的。

这在医疗、食品保鲜等方面都起到了积极的作用。

另外，核技术还被用于碳14定年法等方法，对古代文化遗址、化石等进行年代测定。

这对于人类研究历史和地质变迁具有重要的意义。

8、什么是核能？什么是核能发电答：核能是由于原子核内部结构发生变化而释放出的能量。

即核反应或核跃迁时释放的能量。

例如重核裂变、轻核聚变时释放的巨大能量。

核能发电是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式，其过程为：核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能。

9、什么是毫西弗？毫西弗是辐射剂量的基本单位之一。

“当量剂量”是反映各种射线或粒子被吸收后引起的生物效应强弱的辐射量。

其国际标准单位是“西弗”，定义是每千克人体组织吸收1焦耳为1西弗。

西弗是个非常大的单位，因此通常使用毫西弗、微西弗。

1毫西弗＝1000微西弗。

对日常工作中不接触辐射性工作的人来说，每年正常的天然辐射(主要是因为空气中的氡辐射)为1000—2000微西弗。

一次小于100微西弗的辐射，对人体无影响。

与放射相关的工人，一年最高辐射量为50000微西弗。

一次性遭受4000毫西弗会致死。

1.核能的利用存在的主要问题有哪些？答：（1）资源利用率低；（2）反应后产生的核废料成为危害生物圈的潜在因素，其最终处理技术尚未完全解决；（3）反应堆的安全问题尚需不断监控及改进；（4）核不扩散要求的约束，即核电站反应堆中生成的钚-239受控制；（5）核电建设投资费用仍然比常规能源发电高，投资风险较大。

2、核废料的处理有哪几种方法？答：“天葬”、“水葬”和“火葬”三种方法。

（1）“天葬”是指：把核废料先固化成玻璃块，装到特制的合金棺中，在棺材外面装上隔热外套，然后用航天飞机把它带入预定的轨道，机械手随即把它推入太空，再点燃助推火箭将它送入3000千米的轨道上，让核废料远远离开人类生活的地球。

（2）“火葬”是美国能源部研制的一种处理核废料的先进方法。

火葬前，先在地下挖一个深坑，把放射性物质放入坑内，用特制的盖子把坑顶盖好。

将空气净化器上的一根导管从盖子上插入坑内，坑内装４个碳电极，电极接通后，就会产生一股强大的电流，使坑内的泥土温度上升到几百度。

高中物理核能的计算方法学法指导曹传涛有关核能的计算问题是原子物理章节中的一个重要的知识点，现以下面几个例题对核能的计算方法加以总结。

一、利用爱因斯坦的质能方程即△E=mc 2计算核能。

用这种方法计算核能应注意公式△E=mc 2中Δm 的单位是千克（kg ），ΔE 的单位是焦耳（J ）。

例 1. 一个铀核衰变为钍核时释放出一个α粒子，已知铀核的质量为kg 2510853131.3-⨯，钍核的质量为kg 2510786567.3-⨯，α粒子的质量为kg 271064672.6-⨯，求出此过程中释放出的能量。

（结果保留二位有效数字）。

解析：此衰变过程前后的质量亏损为kg m 302725251068.9)1064672.610786567.3(10853131.3----⨯=⨯+⨯-⨯=∆故由爱因斯坦的质能方程可得JJ mc E 1328302107.8)103(1068.9--⨯=⨯⨯⨯=∆=∆二、根据1原子质量单位u 的质量相当于931.5MeV 能量计算核能。

用这种方法计算核能应注意公式△E=mc 2中Δm 的原子质量单位u ，ΔE 的单位是MeV 。

例 2. 裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核U 23592为燃料的反应堆中，当U 23592俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为9154.939178.1380087.10439.2353109438139541023592nSr Xe n U ++→+反应方程下方的数据是中子及相关原子的静止质量（以原子质量单位u 为单位）。

求此裂变过程中释放的能量。

解析：此裂变过程前后的质量亏损为u u m 1933.0)9154.939178.1380087.120439.235(=--⨯-=∆故此裂变过程中释放的能量MeV MeV m E 1805.931=⨯∆=∆三、利用阿伏加德罗常数计算核能例 3. 在氢弹爆炸中发生的核聚变方程为n He H H 10423121+→+，已知H 21的质量为2.0136u ，H 31的质量为3.0166u ，He 42的质量为4.0026u ，n 10的质量为1.0087u ，阿伏加德罗常数1231002.6-⨯=mol N A ，求此氢弹爆炸中当合成1kg 的氦时所释放的能量。

4.6 核能利用三维教学目标1、知识与技能（1）知道什么是核反应，会写出人工转变方程；（2）知道什么是放射性同位素，人造和天然放射性物质的主要不同点；（3）了解放射性在生产和科学领域的应用；（4）知道放射性污染及其对人类和自然产生的严重危害，了解防范放射线的措施，建立防范意识。

2、过程与方法：渗透和安全地开发利用自然资源的教育。

3、情感、态度与价值观：培养学生收集信息、应用已有知识、处理加工信息、探求新知识的能力。

教学重点：人工转变的两个核反应方程及反应过程中遵循的规律。

教学难点：人工转变的两个核反应方程及反应过程中遵循的规律教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。

教学用具：（1）挂图，实验器材模型，课件等；（2）多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。

（一）引入新课前面已经学习了核反应的一种形式：衰变。

本节课我们要学习核反应的另一种形式：人工转变以及人工转变产生的放射性同位素的应用和核辐射的防护。

（二）进行新课1、核反应：原子核在其它粒子的轰击下产生新原子核的过程叫核反应。

在核反应中质量数守恒、电荷数守恒。

人工转变核反应方程：H O He N 1117842147+→+ n C He Be 101264294+→+例如：写出下列原子核人工转变的核反应方程。

（1）1123Na 俘获1个α粒子后放出1个质子（2）1327Al 俘获1个α粒子后放出1个中子（3）816O 俘获1个中子后放出1个质子（4）1430Si 俘获1个质子后放出1个中子理解并记住核反应方程，通过方程理解核反应中遵循的规律。

2、人工放射性同位素（1）放射性同位素：有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。

放射性同位素有天然和人造两种，它们的化学性质相同。

（2）人工放射性同位素Al He P（3）人工放射性同位素的优点：放射强度容易控制；形状容易控制；半衰期短，废料容易处理。

（4）凡是用到射线时，都用人造放射性同位素。

高中物理 11裂变和聚变核能的利用素材新人教版选修1-2教学建议核能在新能源中占有很重要的地位,核能包括裂变能和聚变能。

在教学过程中,教师要注意引导学生阅读教材,展示相关图片,以问题为中心,说明现在核能的和平利用只是用重核裂变所释放的核能,和平利用聚变所产生的核能还在研究之中。

核能的和平利用主要利用核裂变能,核反应堆中发生的核反应就是重核的裂变反应。

教师在教学过程中引导学生阅读课文,了解核反应堆的组成和各部分的作用,知道核能发电有着广泛的应用。

资源参考可控核聚变核能包括裂变能和聚变能两种主要形式。

裂变能是重金属元素的质子通过裂变而释放的巨大能量,目前已经实现商用化。

因为裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少,而且常规裂变反应堆会产生长寿命放射性较强的核废料,这些因素限制了裂变能的发展。

另一种核能形式是目前尚未实现商用化的聚变能。

核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,并释放出能量的过程。

自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变,这种反应在太阳上已经持续了50亿年。

氘在地球的海水中蕴藏量丰富,多达40万亿吨,如果全部用于聚变反应,释放出的能量足够人类使用几百亿年,而且反应产物是无放射性污染的氦。

聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。

作为21世纪理想的换代新能源,核聚变的研究和发展对中国和亚洲等能源需求巨大、化石燃料资源不足的发展中国家和地区有特别重要的战略意义。

受控热核聚变能的研究分惯性约束和磁约束两种途径。

惯性约束是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照靶板来产生聚变。

磁约束是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特性,构造一个特殊的磁容器,建成聚变反应堆,在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温,实现聚变反应。

教科版选修2《核能的利用》评课稿一、课程背景教科版选修2《核能的利用》是高中物理课程中的一门选修课。

本课程主要介绍核能的基本概念、原理和应用，并结合相关的实际例子，让学生了解核能在能源领域的重要性和应用。

二、教材内容介绍1. 核能的起源和发现本教材首先介绍了核能的起源和发现。

学生将了解到阿尔法、贝塔和伽马射线以及核衰变的基本概念，了解到放射性核素的发现历程，为后续学习打下基础。

2. 核反应和核能转化本教材详细介绍了核反应和核能转化的原理。

学生将学习到核反应的基本概念、核反应方程式的表示方法，以及核能在核电站中是如何转化为电能的。

3. 核能的利用本教材重点介绍了核能在能源领域的利用。

学生将了解到核能是一种高效、清洁的能源形式，探索核能在发电、医学和科研等领域的应用。

4. 核能的安全性与环保性本教材还重点讲解了核能的安全性与环保性。

学生将了解到核能的利用可能带来的安全问题和环境污染问题，加深对核能利用的理解。

1. 知识目标通过本课程的学习，学生将掌握以下核心知识：•核能的基本概念和原理•核能转化为电能的过程•核能在能源领域的应用•核能利用的安全性与环保性2. 能力目标通过本课程的学习，学生将培养并提高以下能力：•理解和分析核能相关的知识和问题•运用核能知识解决实际问题的能力•培养科学探究和实践能力四、教学重点和难点1. 教学重点本课程的教学重点主要包括：•核能的基本概念和原理•核反应和核能转化的过程•核能在能源领域的应用2. 教学难点本课程的教学难点主要包括：•核能的安全性和环保性问题的讲解与讨论•核能应用实例的解析和探讨本课程采用多种教学方法，包括讲授、讨论、实验等。

1. 讲授法通过课堂讲解，教师向学生介绍核能的基本概念、原理和应用，并引导学生思考和分析相关问题。

2. 讨论法通过小组讨论和全班讨论，学生可以就核能的利用、安全性和环保性等问题展开讨论，加深对核能知识的理解和应用。

3. 实验法通过实验操作，学生将亲身体验和观察核能的一些实际应用和现象，培养科学实践能力和动手能力。