Розробка тематичного уроку з фізики

11 клас. Академічний рівень

Розділ 6. Атомна та ядерна фізика

Тема. Ланцюгова реакція поділу ядер Урану.

Мета: 

-         сприяти формуванню знань про поділ ядер Урану, ланцюгові ядерні реакції; вдосконалювати вміння складати рівняння ядерних реакцій; розкрити історичну, наукову та практичну значущість цього відкриття;   формувати спостережливість, гнучкість, логічність і послідовність мислення; сприяти розширенню кругозору;

-         виховувати інтерес до фізики; продовжувати формувати ставлення учнів до ядерної енергетики; Тип уроку: комбінований.

Обладнання: комп’ютер з проектором,  інтерактивна дошка, презентація до уроку, періодична таблиця елементів Мендєлєєва, картки із завданнями, відеофрагменти фільмів «Альберт Ейнштейн. Формула», «Ланцюгова реакція».

Перебіг уроку

1.                 Самостійна робота

Варіант 1

Початковий рівень

1) Період   піврозпаду     Цезію-137 становить 30 р., а Радію-226 – 1600 р. Активність якого ізотопу більша? 2) Запишіть рівняння, що виражає правило зміщення під час β-розпаду.

Середній рівень 3) Дописати ядерну реакцію:

4)       Скільки          протонів         і           скільки нейтронів міститься у ядрі атома, який утворюється у реакції завдання 3?

Достатній рівень

5)       Який   ізотоп утворюється внаслідок двох α- розпадів та одного β- розпаду ?

6)       Скільки α- і β- розпадів відбувається в результаті перетворення       Радію-226 у Плюмбум-206?

Високий рівень

7)       Визначити енергетичний вихід ядерної реакції (завдання 3).

8)       Визначити повну та питому енергію зв’язку ядра атома, який вступає в реакцію завдання 3.

Варіант 2

1)Період   піврозпаду     Радону-222 становить 3,8 доби, а Карбону-14 – 5700 р. Активність якого ізотопу менша? 2) Запишіть рівняння, що виражає правило зміщення під час α-розпаду.

3)       Дописати ядерну реакцію:

4)       Скільки          протонів         і           скільки нейтронів міститься у ядрі атома, який вступає у реакцію   завдання 3?

5)       Який   ізотоп утворюється внаслідок двох α- розпадів та одного β- розпаду ?

6)       Скільки α- і β- розпадів відбувається в результаті перетворення      Урану-238 у Радон-222?

7)       Визначити енергетичний вихід ядерної реакції (завдання 3).

8)       Визначити      повну та         питому енергію         зв’язку            ядра    атома, який утворюється в реакції завдання 3.

2.                 Повідомлення теми та завдань уроку                                        (слайд 1)            

Ядерні         реакції,       про    які     говорилося на      попередньому      уроці, представляють великий інтерес з енергетичної точки зору. Проблеми пов’язані зі створенням керованого термоядерного синтезу ще потребують вирішення у майбутньому. Керована ланцюгова ядерна реакція – це сьогоднішня реальність і тому заслуговує більш детального вивчення. 

Завдання уроку:                                                                                (слайд 2)

-      розкрити історичні передумови відкриття штучного поділу ядер Урану;

-      вивчити механізм поділу та радіоактивні перетворення його продуктів;

-      оцінити енергетичний вихід реакції поділу ядер Урану;

-      з’ясувати умови виникнення та протікання ланцюгової ядерної реакції;  ознайомитися з умовами та механізмом утворення Плутонію.

3.                 Мотивація навчальної діяльності

Скільки років потрібно було вченим світу для створення можливості вивільнення енергії атома? Що спонукало вчених до створення ланцюгової ядерної реакції? Які вона має застосування? Ізотопи яких речовин використовують для цих реакцій?

4.                 Вивчення нового матеріалу

Відкриття поділу ядер урану                                                       (слайд 3)

(Розповідь учителя       супроводжується показом відповідних слайдів. Учні виконують у зошитах необхідні записи, приймають участь в обговоренні окремих фактів)

Історія відкриття поділу ядер Урану розпочалася задовго до самого відкриття. Перший крок був зроблений ще у 1905 р., коли видатний німецький фізик Альберт Ейнштейн відкрив формулу зв'язку маси та енергії. Стало зрозумілим, яка величезна енергія прихована в атомі. Енергії, що міститься в склянці води, було б достатньо, щоб забезпечити,

наприклад, Лондон на цілий тиждень електроенергією. Чи можна її якось використати? Це питання хвилювало багатьох вчених, але найбільше, звичайно, військових.

Другим кроком було створення Резерфордом у    1919 р. штучної ядерної реакції. Вчені всього світу побачили, що атомні ядра можна перетворювати, вивільняючи, при цьому, енергію.

Третій крок – відкриття нейтрона Чедвіком у 1932 р. Резерфорд – батько ядерної енергетики, восени 1933 р. на засіданні         британської асоціації     висловився вкрай негативно щодо можливості вивільнення атомної енергії у великих масштабах. А що ж думав з цього приводу сам Ейнштейн?                   

(Перегляд відео фрагменту слайд 4)

Угорський фізик Лео Сілард (учень Ейнштейна) передбачив можливість ланцюгової ядерної реакції на нейтронах ще у 1933р. Саме після категоричної заяви Резерфорда його зацікавили реакції, що самі себе підтримують, тобто такі, при яких елемент, що захопив нейтрон, випромінював би ще два таких нейтрони. Потрібно було тільки знайти такі елементи. В 1939 році

Сілард обґрунтував можливість розвитку в урані самопідтримуваної ядерної реакції. Одним з перших довів, що в процесі ділення ядер Урану випромінюються вторинні нейтрони. В 1942-1946 рр. приймав участь у

«Манхеттенському проекті».         (слайд 5)

17 грудня 1938 р. німецькі хіміки під час пошуку трансуранових елементів, опромінюючи уран нейтронами, виявили сліди барію, та інших елементів з середини періодичної системи. Ган зробив висновок, що ядро атома Урану зазнає поділу. Дані по хімічних експериментах Гана і

Штрассмана  було опубліковано в січні 1939 року. У лютому 1939 р. австрійський фізик Ліза Мейтнер зробила      фізичне обґрунтування експерименту,          разом          зі       своїм племінником, англійським фізиком Отто Робертом Фрішем. Ліза зауважила, що процес ядерного поділу може породити ланцюгову реакцію, яка може призвести

до великих викидів енергії.                                                                       (слайд 6) Механізм поділу ядер Урану.                                                        

Поділ ядра можливий тому, що маса спокою важкого ядра більша від суми мас спокою осколків, які виникають під час поділу. Через це виділятиметься енергія, що еквівалентна зменшенню маси спокою. Можливість поділу важких ядер можна також пояснити за допомогою графіка залежності питомої енергії зв’язку від масового числа А. Питома енергія зв’язку ядер атомів, що займають останні місця в періодичній системі приблизно на 1 МеВ менша від питомої енергії зв’язку в ядрах елементів, що займають середні місця періодичної системи. Тому процес поділу важких ядер є «енергетично вигідний». Безпосередні вимірювання енергії, яка виділяється під час поділу ядра Урану

 , підтвердили наведені міркування і дали величину ≈ 200 МеВ. Причому більша частина цієї енергії (168 МеВ) припадає на кінетичну енергію

осколків.                                                                                                      (слайд 7)

Процес поділу можна пояснити за допомогою краплинної моделі ядра.

Захоплення нейтрона ядром Урану може розвиватися двома шляхами.

1) Отримана енергія витрачається на збудження нуклонів ядра, внаслідок чого воно зазнає кілька β- розпадів, перетворюючись у Плутоній. Плутоній відносно стабільний, оскільки період його піврозпаду великий – порядку 24000 років. Важливою властивістю Плутонію є те, що він ділиться під впливом повільних нейтронів, так само як ізотоп                     (слайд 8) 2) Отримана енергія витрачається на деформацію ядра, внаслідок чого ядро розтягується доти, поки сили відштовхування між зарядами на кінцях витягнутого ядра не стануть переважати ядерні сили притягання. Ядро ділиться на осколки. (На слайді 9 відбувається анімація поділу ядра Урану)

(Учням пропонується спробувати пояснити причину вивільнення внаслідок

поділу 2-3 нейтронів)                                                                          (слайд 10)

Ланцюгова ядерна реакція                                                        

Будь-який з нейтронів, що вилітає з ядра в процесі поділу може спричинити розпад сусіднього ядра. Ланцюговою ядерною реакцією (ЛЯР) називається реакція, в якій частинки (нейтрони), що спричиняють її, утворюються як продукти цієї реакції.   (Перегляд відео фрагменту слайд 11.)

Природний уран складається переважно з двох ізотопів  і . Але ізотоп  становить лише 1/140 частину значно поширенішого ізотопу . Ядра  діляться під впливом швидких і повільних нейтронів. Ядра ж  можуть ділитися тільки під впливом швидких нейтронів з енергією понад      1 МеВ. Таку енергію мають приблизно 60 % нейтронів, що вивільняються під час поділу. Але приблизно лише один з п'яти спричиняє поділ . Решта нейтронів захоплюється цим ізотопом без поділу. Тому ланцюгова ядерна реакція у чистому ізотопі  неможлива.

Коефіцієнт розмноження нейтронів                                        (слайд 12)

Коефіцієнтом розмноження називається відношення кількості нейтронів у будь-якому поколінні до кількості нейтронів попереднього покоління. Можливі перебіги ланцюгової ядерної реакції такі:

-      k   >   1   –   вибух;

-      k   =   1   –   керована ланцюгова

                          ядерна реакція;

-      k   <   1   –   реакція затухатиме.

5.                 Закріплення вивченого матеріалу

(Учні об’єднуються в пари. Творче завдання парам: скласти схему, яка відображає можливі результати процесу захоплення нейтрона ядром Урану) 

6.                 Перевірка рівня засвоєння нового навчального матеріалу Тести   (Учні виконують завдання)

1)      Чому під час поділу ядра Урану-235 вивільняється близько 200 МеВ енергії?    

o    Маса спокою ядра Урану менша за сумарну масу спокою ядер осколків, що утворюються внаслідок поділу;

o    Питома енергія зв'язку ядра Урану менша за питому енергію зв'язку ядер, що утворюються внаслідок поділу;

o    Сума енергій спокою ядер, що утворюються внаслідок поділу, більша за енергію спокою урану.

2)      При захопленні яких нейтронів можливий поділ ядер Урану-238?

o Швидкі, з енергією понад 1 МеВ; oПовільні, з енергією меншою за 1 МеВ; o Швидкі та повільні нейтрони.

3)      Скільки миттєвих нейтронів, в середньому, вивільняється внаслідок поділу 1-го ядра ²³⁵U? o2 o 2,5 o 3

4)      При якому значенні k (коефіцієнта розмноження нейтронів) повинна відбуватися керована ланцюгова ядерна реакція?

o    k > 1 ok = 1 o k < 1 5) Яке з тверджень найбільш точно відповідає означенню ланцюгової ядерної реакції?

o    Це реакція, в якій частинки, що її спричиняють, є продуктами цієї реакції;

o    Це реакція, яка відбувається під впливом нейтронів, які спричиняють поділ ядер урану; o Це реакція, що відбувається самочинно, без впливу зовнішніх факторів. 6) Що називається коефіцієнтом розмноження нейтронів?

o    Абсолютна зміна кількості нейтронів у кожному наступному поколінні; o Відношення кількості нейтронів у будь-якому “поколінні” до їх кількості в наступному “поколінні”; oВідношення кількості нейтронів у будь-якому “поколінні” до їх кількості в попередньому “поколінні”.

7.                 Оцінювання учнів з урахуванням усіх видів їх діяльності на уроці 8. Домашнє завдання

1)      Вивчити § 55 (1) за підручником В. Г. Бар’яхтар, Ф. Я. Божинова, Фізика 11 клас (академічний рівень).

2)      Розв'язати задачі.

Задача 1. Під час поділу ізотопу Урану  вивільняється енергія 200 МеВ, причому 84 % цієї енергії набувають уламки поділу. Вважаючи, що цими уламками є ядра Барію  і Криптону  та що імпульси їх за модулем однакові, визначити енергію уламків.

Задача 2. Внаслідок поділу одного ядра Урану  виділяється 200 МеВ енергії. Яка кількість енергії вивільняється внаслідок повного поділу 1 г цього ізотопу. Яку кількість кам’яного вугілля треба спалити, щоб отримати таку кількість енергії? Питома теплота згорання кам’яного вугілля становить  29 МДж/кг.

3)      Творче завдання. Підготувати повідомлення (реферати, презентації) на тему: «Добування вироблення та переробка ядерного пального». 9.       Підсумок уроку

Поглинання ядром Урану нейтрона може спричинити розпад ядра.

Продуктами поділу ядер Урану є два осколки, 2 або 3 нейтрони та близько 200 МеВ енергії.

Осколки, що утворюються внаслідок поділу, зазнають послідовний ряд β- розпадів перетворюючись на стабільні ізотопи.

Внаслідок вивільнення нейтронів, під час поділу ядер, може відбуватися ланцюгова ядерна реакція.

Керована ланцюгова ядерна реакція може відбуватися тільки при умові, коли коефіцієнт розмноження нейтронів дорівнює одиниці.

При захопленні ядром Урану нейтрона без наступного поділу утворюється новий ізотоп Урану, який внаслідок двох β- розпадів перетворюється на Плутоній.