2019-2020学年高中物理第19章原子核第5节核力与结合能课件 人教版选修3-5 62页

第 5 节　核力与结合能 [ 学习目标 ] 1. 知道核力的概念、特点和四种基本相互作用．　 2. 了解结合能和比结合能的概念．　 3. 认识原子核的结合能及质量亏损，并能应用质能方程进行相关的计算．　 1 ． 核力 (1) 原子核内 ________ 之间的相互作用力． 要点一　核力与四种基本相互作用 核子　 课前教材预案 (2) 特点： ① 核力是 ______________( 强力 ) 的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库仑力 __________ ； ② 核力是短程力，作用范围在 ______________ 之内； ③ 核力的饱和性：每个核子只跟 ________ 的核子发生核力作用． 强相互作用　 大得多　 1.5×10 － 15 m 　 邻近　 2 ． 四种基本相互作用 更短　 电磁力　 万有引力　 原子核由质子和中子组成，较轻的原子核，质子数与中子数 ____________ ，但对于较重的原子核，中子数 ________ 质子数，越重的元素， ____________. 这是因为核子数越多时，有些核子间的距离越大，核力会迅速减小，使核力不足以平衡质子的库仑斥力，使原子核不稳定，可见原子核的粒子数不是无限多的原因是核力的 __________ ． 大致相等　 要点二　原子核中质子与中子的比例 大于　 相差越大　 饱和性　 1 ． 结合能 把结合成原子核的核子分开所 ________ 的能量或核子在核力作用下结合成原子核 ________ 的能量． 需要　 要点三　结合能与质量亏损 释放　 2 ． 比结合能 原子核的结合能与 __________ 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 ________ ，原子核越 ________ ， ____________ 的核的比结合能最大、最稳定． 核子数　 牢固　 稳定　 中等大小　 3 ． 质量亏损 (1) 爱因斯坦质能方程： __ _ __ __ __ ． (2) 质量亏损：原子核的质量 ________ 组成它的核子的质量之和的现象． (3) 若在核反应前后质量亏损为 Δ m ，则核反应释放的核能 Δ E ＝ ___ __ __ ． E ＝ mc 2 　 小于　 Δ mc 2 　 问题与思考 1 ．判断下列说法的正误 (1) 一切原子核均具有结合能 ( 　　 ) (2) 自由核子结合为原子核时，吸收能量 ( 　　 ) (3) 比结合能越大的原子核越稳定 ( 　　 ) 答案　 (1) 氢原子核只有一个质子，不具有结合能， (1) 错误． (2) 自由核子结合为原子核时质量亏损，放出能量， (2) 错误． (3) 比结合能越大的原子核，核子结合得越牢固，原子核越稳定， (3) 正确． 2 ．核子为什么不能融合在一起？ 答案　 核子间存在核力，当核力的作用范围小于 0.8×10 － 15 m 时，核力表现为斥力，因此核子不能融合在一起． 3 ．重核中质子间的核力为什么不足以平衡它们间的库仑力？ 答案　 原子核内的质子间一定有库仑斥力，但核力发生在相邻的质子之间，重核中质子数比中子数少，若原子核内质子数较多，则库仑斥力变大，造成核力不足以平衡质子间的库仑力． 课堂深度拓展 考点一　核力和原子核中质子与中子的比例 1 ． 核力的特点： (1) 核力是强相互作用 ( 强力 ) 的一种表现．在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多． (2) 核力是短程力，作用范围在 1.5×10 － 15 m 之内．核力在距离大于 0.8×10 － 15 m 时表现为吸引力，且随距离增大而减小，超过 1.5×10 － 15 m ，核力急剧下降几乎消失；而在距离小于 0.8×10 － 15 m 时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起． (3) 每个核子只跟邻近的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性． 2 ． 原子核中核子比例关系 自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越大． 3 ． 原子核的稳定性 (1) 原子核大到一定程度时，相距较远的质子间的核力非常小，较多的质子聚集在一起的核力不足以平衡它们之间的库仑力，原子核就不稳定了．这时，如果不再成对地增加质子和中子，而只增加中子，中子与其他核子间没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，有助于维系原子核的稳定性． (2) 核力的饱和性．稳定的重原子核里，中子数要比质子数多．由于核子的作用范围是有限的，核力具有饱和性，如果我们继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的，所以，原子核大小也受到限制． 【例题 1 】　 关于原子核中质子和中子的说法，正确的是 ( 　　 ) A ．原子核中质子数和中子数一定相等 B ．稳定的重原子核里，质子数比中子数多 C ．原子核都是非常稳定的 D ．由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果不断地增大原子核，形成的核也一定是不稳定的 答案　 D 　 解析　 自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多，且原子核越大越不稳定，故选项 D 正确． 【变式 1 】　 关于核子结合成原子核，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．原子核内的核子间均存在核力 B ．原子核内的质子间均存在核力和库仑力 C ．稳定原子核的质子数总是与中子数相等 D ．对质子数较多的原子核，其中的中子较多有助于维系原子核稳定 答案　 D 　 解析　 核力是短程力，只会发生在相邻核子之间，由此知，选项 A 、 B 错误；核力只作用于相邻的核子，随着质子数增加，为使原子核保持稳定，必须靠中子数的增多来抵消库仑力的作用，选项 C 错误， D 正确． 1 ． 结合能与比结合能 (1) 结合能：原子核分解成核子时吸收的能量，都叫做原子核的结合能． (2) 比结合能：原子核的结合能与其核子数之比． 比结合能的大小能够反映核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该核就越稳定． 考点二　结合能与比结合能 不同原子核的比结合能随核子数变化图线如图所示． 从图中可看出，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小． 2 ． 比结合能与原子核稳定性的关系 (1) 比结合能的大小能够反映核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该核就越稳定． (2) 核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定． (3) 当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可释放核能，例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能． 结合能与电离能的区别 无论质子和质子之间，中子和中子之间，还是质子和中子之间，都存在核力，它们结合成原子核时释放的能量叫结合能．要使氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、赋予光子等途径让电子得到能量，这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能，不过通常把它叫做氢原子的电离能． 答案　 127.68 MeV 　 14.56 MeV 【变式 2 】　 下列关于结合能和比结合能的说法正确的是 ( 　　 ) A ．核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能 B ．比结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大 C ．重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和比结合能都大 D ．中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大 答案　 D 　 解析　 核子结合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，选项 A 错误；比结合能越大的原子核越稳定，但比结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的比结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能反而比重核小，选项 B 、 C 错误；中等质量原子核的比结合能比轻核的大，它的原子核内核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，选项 D 正确． 1 ． 质能方程 E ＝ mc 2 的理解 (1) 质能方程说明，一定的质量总是跟一定的能量相联系的．具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，等于光速的平方与其质量之积，这里所说的总能量，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和． 考点三　质能方程及质量亏损 (2) 根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比．物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写作 Δ E ＝ Δ mc 2 ． (3) 运用质能方程时应注意单位．一般情况下，公式中各量都应取国际单位．但在微观领域，用国际制单位往往比较麻烦，习惯上常用“原子质量单位”和“电子伏特”作为质量和能量的单位． 2 ． 质量亏损的理解 所谓质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了．反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给．总之，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们之间的关系就是 E ＝ mc 2 ． 质量亏损的两个理解误区 (1) 错误地认为亏损的质量转化为能量或认为能量和质量可以相互转化．实际上质量和能量并不能相互转化，只是质量和能量具有对应关系． (2) 认为核反应中质量不守恒．所谓的质量亏损并不是这部分质量消失或质量变为能量，而是在宏观上表现为减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量． 【例题 3 】　 下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化 B ．由 E ＝ mc 2 可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所蕴藏的能量的量度 C ．核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变为能量 D ．因为在核反应中能产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒 答案　 B 　 解析　 E ＝ mc 2 说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，但并不说明能量和质量之间存在相互转化的关系，选项 A 错误， B 正确；核反应中的 “ 质量亏损 ” 并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变成能量，选项 C 错误；在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，在核反应前后只是物质由静质量变成动质量，选项 D 错误． 【变式 3 】 对于爱因斯坦提出的质能方程 E ＝ mc 2 ，下列说法错误的是 ( 　　 ) A ． E ＝ mc 2 表明物体具有的能量与其质量成正比 B ．根据 Δ E ＝ Δ mc 2 可以计算核反应中释放的核能 C ．一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损 D ． E ＝ mc 2 中的 E 是发生核反应中释放的核能 答案　 D 　 解析　 E ＝ mc 2 中的 E 表示物体具有的总能量， m 表示物体的质量，选项 A 正确， D 错误； Δ E ＝ Δ mc 2 表示的意义是当物体的能量增加或减少 Δ E 时，它的质量也会相应地增加或减少 Δ m ，选项 B 正确；只有在出现质量亏损时，才能释放核能，选项 C 正确． 考点四　核能的计算 求解核能的常见思路及方法 (1) 根据质量亏损计算 其步骤如下： ① 根据核反应方程，计算核反应前和核反应后的质量亏损 Δ m ； ② 根据爱因斯坦质能方程 E ＝ mc 2 或 Δ E ＝ Δ mc 2 计算核能． (2) 利用原子质量单位 u 和电子伏特间的关系计算 ① 原子质量单位 u 和电子伏特间的关系： 1 u 相当于 931.5 MeV ； ② 根据 ① ，原子质量单位 u 相当于 931.5 MeV 能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以 931.5 MeV ，即 Δ E ＝ Δ m × 931.5 MeV ． (3) 根据能量守恒和动量守恒来计算 参与核反应的粒子所组成的系统，在核反应过程中的动量和能量是守恒的，因此，在核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下，从动量和能量守恒可以计算出核能的变化． 解析　 反应前总质量 M N ＋ M He ＝ 18.010 13 u ，反应后总质量 M O ＋ M H ＝ 18.012 69 u ，可以看出，反应后总质量增加，故该反应是吸收能量的反应．吸收的能量利用 Δ E ＝ Δ mc 2 来计算，若反应过程中质量增加 1 u ，就会吸收 931.5 MeV 的能量，故 Δ E ＝ (18.012 69 － 18.010 13) × 931.5 MeV≈2.4 MeV ． 答案　 吸收能量　 2.4 MeV 1. 对公式 Δ E ＝ Δ mc 2 ，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．能量可以转化为质量 B ．质量可以转化为能量 C ．能量的转化与质量的转化是成比例的 D ．在核反应中，能量与质量都不守恒 答案　 C 　 课末随堂演练 解析　 方程 Δ E ＝ Δ mc 2 中只说明质量亏损与释放核能这两种现象间的数值关系，并不能说明质量和能量可以相互转化，选项 A 、 B 错误， C 正确；在核反应中遵循质量和能量守恒定律，选项 D 错误． 2 ． ( 多选 ) 对结合能、比结合能的认识，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．核子结合为原子核时，一定释放能量 B ．核子结合为原子核时，可能吸收能量 C ．结合能越大的原子核越稳定 D ．比结合能越大的原子核越稳定 答案　 AD 　 解析　 由自由核子结合成原子核的过程中，核力做正功，释放出能量，反之，将原子核分开变为自由核子，它需要吸收相应的能量，该能量即为结合能，选项 A 正确， B 错误；核子越多的原子核其结合能越大，但它的比结合能不一定大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性，选项 C 错误， D 正确． 3 ． ( 多选 ) 关于质能方程，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．质量减少，能量就会增加，在一定条件下质量转化为能量 B ．物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加一定值 C ．物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系 D ．一定量的质量总是与一定量的能量相联系的 答案　 BD 　 解析　 质能方程 E ＝ mc 2 表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的；当物体获得一定的能量，即能量增加某一定值时，它的质量也相应增加一定值，并可根据 Δ E ＝ Δ mc 2 进行计算，选项 B 、 D 正确． 答案　 B 　 解析　 聚变反应前氘核和氚核的总结合能 E 1 ＝ (1.09 × 2 ＋ 2.78 × 3) MeV ＝ 10.52 MeV ， 反应后生成的氦核的结合能 E 2 ＝ 7.03 × 4 MeV ＝ 28.12 MeV ， 由于单个核子无结合能，所以聚变过程释放出的能量 Δ E ＝ E 2 － E 1 ＝ (28.12 － 10.52) MeV ＝ 17.6 MeV ． 答案　 17.6 MeV