中心教学法在大学通识化学教学中的运用

摘要：核能在现代社会中越来越普遍。本文联系化学与核能，用中心教学法从核能的产生、核裂变和核聚变、核能安全应用前景等三个方面来阐释，便于学生系统学习并掌握核能的相关知识。

关键词：核能；核裂变；核聚变；核反应堆

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）25-0192-02

核能作为一个新兴的能源，备受各国关注。1939年原子核裂变的发现，开辟了核能利用的新时代。核能首先用于军事上，随后转向和平利用，核能作为一种新的能源迅速崛起和发展，显示了越来越重要的地位。笔者认为结合国际发展热点，把核能与化学演绎成一个结构完整的知识框架，以便学生掌握。在教学中，笔者认为采取中心教学法比较合适，确立一个中心知识点来带动其他有关内容。按照这个原理，本文以核能为中心，提出三个方面的思考方向，即核能的产生、核裂变和核聚变、核能安全应用前景，再依次地对其进行诠释。通过以点带面的教学手段达到更好的教学效果。

一、核能的产生

1.核结构。联系高中知识，所谓原子核也就是质子和中子紧密的结合体。质子与中子统称为核子，核子间的吸引力为核力。核力的大小与核子之间的距离的六次方成反比，所以，当原子核中核子的数目达到一定的数值后就会由于核子之间的距离太远而造成原子核不稳定，从而有放射性（元素周期表84号以后的元素都有放射性）。1896年贝克勒发现铀盐会释放出一种类似X光射线的射线，接着居里夫人在钍的化合物中也发现了这种现象，她把这种性质称作为“放射性”。由此天然放射性被发现，标志着原子核物理学的开始。由此他和居里夫妇共同获得1903年的诺贝尔物理学奖。

2.核能的获得。从核结构的知识中，我们知道，一个相对不稳定的原子核可以转变为一个更稳定的原子核，这个过程大致可以分为两类，一种是自发的核反应，另一种是诱导核反应。当然核反应还可以通过让原本相对不稳定的较小原子核发生碰撞，形成更加稳定的较大原子核。但是不管是大原子核的裂解或者小的原子核的聚合，都会产生大量的能量，能量从何而来呢？在核形成过程中所释放的能量是由于在核反应中的质量亏损造成的，也就是说，反应后的质量变轻了，亏损的质量全部转换为能量，可以通过爱因斯坦的质能转换公式E=mC2来计算。

二、核裂变和核聚变

核裂变将原子量大的核裂变成两个中等大小的核而获得能量的一种方法，与核裂变相反，核聚变是将相对不稳定的原子量小的核合并成更稳定的大核并释放出能量的过程。从军事上讲，通过核裂变反应可以制造原子弹，而通过核聚变反应制造的是破坏力更大的氢弹。

1.核裂变。1938年Hahn和Strassman在研究中子轰击U-235的产物时，验证费米的结果虽未实现，但却发现了核裂变反应。而这个同位素U-235就是人们找到的极为理想的核裂变材料。即使U-235极为理想，也仍然出现了很大难题，原因是天然铀矿中同位素U-235的含量仅仅只有0.714%，超过98%的都是同位素U-238，而同位素U-238在一般条件下是不会发生核裂变反应的。如何才能拿到呢？铀浓缩：先将铀盐用氢氟酸酸化得到UF4，后者再与氟气反应得到沸点为五十多度的液态化合物UF6，然后让它气化进行长距离的扩散，之后液化收集。经过长距离的扩散，而且在扩散的途中还设置了多孔分离薄膜，经过100多次的反复扩散，就可以得到浓度较高的同位素U-235了。另一种浓缩的方法是离心，通过高速离心机将同位素U-235逐步分离。浓度超过90%的同位素U-235就可以造原子弹了。大量无法被利用的同位素U-238就是贫铀，由于还有一定的放射性，所以需要特殊保存的。美国在海湾战争中使用的贫铀弹的材料就是同位素U-238。核能作为一种杀伤力极大的杀伤武器而开发利用，被运用于战争中会造成极大的伤害，如1945年美国先后在日本广岛和长崎投下的原子弹“小男孩”和“胖子”，对日本带来的损失巨大。而在此之前，为了阻止纳粹德国抢先利用这一科学发现制造核武器奴役世界人民，在科学界的敦促下，美国政府于1941年12月通过了研制原子弹的决议，并于1942年8月正式实施代号为“曼哈顿工程”的制造原子弹的计划。

2.核聚变。由于原子结构中原子核外有电子存在，所以要让原子核之间发生碰撞是非常困难的。必须先赶走核外电子，形成裸露原子核等离子态，由于地心引力较小，这在地球上目前还很难达到的。但在太阳表面和内部，这个天然的核聚变过程已经发生了好几十亿年了。太阳表面引力极大，加上内部温度极高，氢核才有足够动能形成等离子态，并克服核内的斥力，而自动地发生持续的聚变。通过核聚变，人们可以用来制造氢弹。氢弹的炸药是用很轻的物质——氢化锂7、氘化锂6、氘和氚等做成的。氢弹的炸药只能在几千万度的高温下，产生聚变热核反应，这时氘核摆脱核外电子的束缚，在高温下结合生成氦核，与核裂变相比，核聚变过程产生的质量亏损要大得多，自然就放出比原子弹更大的能量和更多的中子。但要使氢弹爆炸，必须要供给它2000万度以上的高温，这种高温可以用原子弹爆炸来实现，因此原子弹实际上又是氢弹的雷管。目前在地球上由于地心引力的作用，能发生的核聚变只有高磁场下高能粒子的碰撞和氢弹爆炸。

三、核能安全应用前景

1.可控核反应堆。裂变反应是持续的链式反应，一个变两个，两个变四个，如果不加以控制，将呈现一种几何级的增长方式，所以，核反应要么不发生要么就是爆炸。虽然裂变反应过程会产生巨大的能量，但是要能为人类所利用，必须要使得链式反应是可控的，一个引发一个，被引发的一个再引发一个，让原子能在可以控制的条件下释放，这就是大家熟悉的反应堆。为了论证实现链式反应的实际条件，美国决定建造一座自持链式反应的核反应堆。在费米的领导下，于1941年12月在芝加哥大学开始建造核反应堆。该堆以天然铀为核燃料，以石墨为减速剂，以能随时插入和抽出反应堆的控制棒来调控裂变反应的速度。控制棒的材料是由5%的镉、15%的铟和80%的银组成。1942年12月2日，这座反应堆建成投入运行，这是历史上第一次实现自持链式反应，揭开了人类利用核能的历史篇章。而如今，为了减轻煤炭能源压力和环境压力，以核反应堆为能量来源的核电站被逐步推广，如我国的秦山核电站和大亚湾核电站。核电站在上世纪60年代开始进入实用阶段，各国主要集中发展轻水堆、重水堆和石墨堆等几种堆型。这些堆型均为非增殖堆，以U-235为裂变材料。

2.快堆成为21世纪核能利用的主力堆型。非增殖堆中过量的高能中子是通过控制棒的吸收来完成的，但是，这些过量的高能中子能否不直接吸收而被加以利用呢？从上世纪70年代开始，一些国家开始研究增殖堆，也就是通常说的快反应堆，以非裂变原料U-238和钍等资源转换成可裂变的钚-239和铀-233等人造核燃料。“快堆”为什么有增殖燃料的本领呢？在快反应堆中，1个U-235每吸收1个快中子发生裂变反应会放出2.45个快中子，除去1个用于链式裂变反应后，剩下的1.45个快中子（非增殖堆中被控制棒吸收了）会被装在反应区周围的U-238（大量存在）吸收，产生1.45个新的核燃料原子Pu-239（图一）。钚的各种同位素都有放射性，也可以被用来作为核裂变原料，因此，在“快堆”中主要的核燃料其实是Pu-239。一座快堆核电站，由于钚的不断再生，在5～15年的时间内可使燃料数量翻一番。通过建造快堆核电站，既能用U-238发电，又能增殖燃料，因此“快堆”被人们称为“明天的核电站锅炉”。但钚是世界上毒性第二大的物质，本身在自然界并不存在，而且由于钚的各种同位素都有放射性，相对于用U-235，通过富集钚来制造核武器要容易的多，美国在日本投放的第二个原子弹“胖子”就是钚弹。从历史的角度看，任何的科技进步都是一把双刃剑，快反应堆也是如此，它为人类高效利用核能提供了一条捷径（反应原料的利用率可以提高10倍以上），但是也为原子弹的制造大开方便之门，关键看人们如何来约束和把控。

比较热反应堆与快反应堆两者的特点，学习者已经有所体会快堆的优点。快反应堆运行时，一方面消耗核燃料产生热能，同时再生新的核燃料杯。当然，人们也会担心核泄漏和合理利用的问题。2011年3月11日，日本福岛第一核电站1号反应堆所在建筑物爆炸后，日本政府13日承认，在大地震中受损的福岛第一核电站2号机组可能正在发生“事故”，2号机组的高温核燃料正在发生“泄漏事故”，但是从泄漏的核废料中检测出高含量的钚，不仅让人们浮想联翩，到底你的核电站是为了发电还是为了富集金属钚？难怪有极右翼的日本政客放言，虽然日本现在还不是有核国家，但是只要给他们三个月的时间，就可以制造出原子弹。

根据核能的上述三根主线，中心教学方法能更快的将内容联系在一起形成一个整体，帮助学者更快地建立自己的知识体系，达到事倍功半的效果。同时以点带面的教学方法，更加有助于内容的扩展，拓宽学习者的知识面，让教材变得更加丰富，使学生学得更加生动和有趣。

参考文献：

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