高中物理 19.5 核力与结合能课件 新人教版选修35.ppt

5核力与结合能 1 了解四种基本相互作用 知道核力的特点 2 认识原子核的结合能及质量亏损 并能应用质能方程进行计算 3 能简单解释轻核和重核内中子数 质子数具有不同比例的原因 重点 1 理解核力的特点 2 结合能 质量亏损和质能方程 难点 1 原子核中质子和中子的比例问题 2 结合能和比结合能的概念 一 核力与四种基本相互作用1 核力原子核内 之间的相互作用力 2 核力的特点 1 核力是强相互作用的一种表现 在原子核内 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 核子 大得多 1 5 10 15m 邻近 3 四种基本相互作用 四种基本相互作用 短程力 强相互作用 弱相互作用 长程力 电磁力 万有引力 弱相互作用的力程比强力更短 为l0 18m 在相同距离上 电磁力大约比万有引力强1035倍 判一判 1 原子核中粒子所受的万有引力和电磁力可以达到平衡 2 核力是强相互作用 在任何情况下都比库仑力大 3 弱相互作用是引起原子核 衰变的原因 提示 1 万有引力比电磁力小得多 无法达到平衡 1 错误 2 核力是短程力 核力只有在原子核的尺度内比库仑力大 2 错误 3 弱相互作用是引起原子核 衰变的原因 3 正确 二 原子核中质子与中子的比例和结合能1 轻原子核和重原子核 1 较轻原子核 质子数和中子数 2 较重原子核 中子数 质子数 越重的原子核两者相差越多 大致相等 大于 2 结合能和比结合能 1 结合能 原子核是核子凭借核力结合在一起的 要把它们分开 需要 这就是原子核的结合能 2 比结合能 原子核的结合能与 之比称为比结合能 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 能量 核子数 牢固 稳定 中等大小 想一想 原子核的结合能是不是核力将核子结合在一起需要的能量 提示 不是 结合能不是核子结合成原子核需要的能量 而是把核子分开而需要的能量 三 质能方程和质量亏损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 e mc2 小于 想一想 有人认为质量亏损就是核子的个数变少了 这种认识对不对 提示 不对 在核反应中质量数守恒即核子的个数不变 只是核子组成原子核时 仿佛变 轻 了一些 原子核的质量总是小于其全部核子质量之和 即发生了质量亏损 核子的个数并没有变化 原子核中质子与中子的比例 探究导引 如图表示的是稳定的原子核中质子数与中子数的关系 思考以下问题 1 原子核中的质子数与中子数一定相等吗 2 为什么重原子核的质子数与中子数的比例与轻原子核不同 要点整合 1 核子比例关系 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 两者相差越多 2 形成原因 1 若质子与中子成对地人工构建原子核 随原子核的增大 核子间的距离增大 核力和电磁力都会减小 但核力减小得更快 所以当原子核增大到一定程度时 相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力 这个原子核就不稳定了 2 若只增加中子 中子与其他核子没有库仑斥力 但有相互吸引的核力 所以有助于维系原子核的稳定 所以稳定的重原子核中子数要比质子数多 3 由于核力的作用范围是有限的 以及核力的饱和性 若再增大原子核 一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用 这时候再增加中子 形成的核也一定是不稳定的 特别提醒 1 核力是短程力 只有相邻核子间才存在核力 2 稳定的重原子核里 中子数要比质子数多 由于核力具有饱和性 导致原子核大小也受到限制 典例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 核力具有饱和性 不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在 思路点拨 解答本题应明确以下两点 关键点 1 轻核中质子数与中子数大致相等 重核中中子数大于质子数 2 由于核力是短程力 原子核的大小有一定的限制 规范解答 选d 由稳定核的质子数与中子数的关系图象可知 质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多 故a b错误 原子核可以发生衰变 故c错误 由核力作用特点可知 核子数越多的原子核越不稳定 故d正确 变式训练 2012 常州高二检测 对原子核的组成 下列说法正确的是 a 核力可使一些中子组成原子核b 核力可使非常多的质子组成原子核c 不存在只有质子的原子核d 质量较大的原子核内一定有中子 解析 选d 由于原子核带正电 不存在只有中子的原子核 但核力也不能把非常多的质子集聚在一起组成原子核 原因是核力是短程力 质子之间还存在 长程力 库仑力 a b错误 自然界中存在只有一个质子的原子核 11h c错误 较大质量的原子核内只有存在一些中子 才能削弱库仑力 维系原子核的稳定 故d正确 结合能与比结合能的理解 探究导引 由于核子间存在着巨大的核力作用 所以原子核是一个坚固的集体 要把原子核拆散成核子 需要克服核力做巨大的功 需要巨大的能量 例如一个氘核被拆成一个中子和一个质子时 需要能量等于或大于2 2mev 可用 光子照射获得 核反应方程为 21h 11h 10n 思考以下问题 1 氘核分解成质子和中子需要吸收能量还是放出能量 2 结合能和平均结合能之间存在什么关系 3 平均结合能和原子核的稳定程度有什么关系 要点整合 1 结合能要把原子核分开成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量 2 比结合能等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比值 它反映了原子核的稳定程度 3 比结合能曲线 不同原子核的比结合能随质量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 特别提醒 1 结合能不是核子结合成原子核需要的能量 而是将原子核的核子拆开时需要的能量 2 比结合能比结合能更有意义 它反映了原子核结合的稳定程度或分裂的难易程度 典例2 2012 杭州高二检测 对结合能 比结合能的认识 下列正确的是 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 思路点拨 解答此题需明确两个方面 关键点 1 核子结合为原子核时 核力做正功 原子核将获得的能量释放出来 2 比结合能反映了原子核结合的稳定程度 规范解答 选a d 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 它需要赋予相应的能量 该能量即为结合能 故a正确 b错误 对核子较多的原子核的结合能越大 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 故c错误 d正确 总结提升 结合能 比结合能的对比理解 1 核子结合成原子核时一定释放能量 原子核分开成核子时一定吸收能量 吸收或释放的能量越大 表明原子核的结合能越大 2 比结合能为结合能与核子数的比值 比结合能越大表明原子核越稳定 一般情况下 中等质量的原子核比轻核和重核的比结合能大 变式训练 2012 江苏高考 一个中子与某原子核发生核反应 生成一个氘核 其核反应方程式为 该反应放出的能量为q 则氘核的比结合能为 解析 方程式 10n 11h 21h核子结合成原子核要放出能量 这个能量叫做原子核的结合能 它的结合能与核子数之比 称作比结合能 由题意知氘核的核子数为2 所以比结合能为q 2 答案 10n 11h 21hq 2 变式备选 下列关于比结合能的说法正确的是 a 核子数越多 比结合能越大b 核子数越多 比结合能越小c 结合能越大 比结合能越大d 比结合能越大 原子核越稳定 解析 选d 不同原子核的比结合能随质量数的变化而变化 中等质量的核的比结合能较大 故a b c错误 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 故d正确 核能的计算 探究导引 爱因斯坦狭义相对论中的质能方程给出了核能的计算方法针对上式思考以下问题 1 什么是质量亏损现象 2 物体的质量和能量之间存在什么关系 3 怎样计算核能 要点整合 1 质量亏损 1 科学家研究证明在核反应中原子核的总质量并不相等 例如精确计算表明 氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些 这种现象叫做质量亏损 质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来 2 m是核反应前与核反应后的质量之差 2 质能方程e mc2爱因斯坦指出 物体的能量 e 和质量 m 之间存在着密切的关系 即e mc2 式中c为真空中的光速 爱因斯坦质能方程表明 物体所具有的能量跟它的质量成正比 由于c2这个数值十分巨大 因而物体的能量是十分可观的 3 核反应中由于质量亏损而释放的能量 e mc2从爱因斯坦质能方程同样可以得出 物体的能量变化 e与物体的质量变化 m的关系 e mc2 特别提醒 物体的质量包括静止质量和运动质量 质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量 只是静止质量的减少 减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量 在核反应中仍然遵守质量守恒定律 能量守恒定律 典例3 镭核22688ra发生衰变放出一个粒子变为氡核22286rn 已知镭核质量为226 0254u 氡核质量为222 0163u 放出粒子质量为4 0026u 1 写出核反应方程 2 求镭核衰变放出的能量 思路点拨 求解此题应把握以下两点 关键点 1 根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程 2 根据质能方程 e mc2计算核能 规范解答 1 核反应 衰变 方程为 22688ra 22286rn 42he 2 镭核衰变放出的能量为 e mc2 m 931 5mev 226 0254 4 0026 222 0163 931 5mev 6 05mev答案 1 22688ra 22286rn 42he 2 6 05mev 变式训练 一个锂核 73li 受到一个质子的轰击 变成两个 粒子 已知质子的质量是1 6736 10 27kg 锂核的质量是11 6505 10 27kg 氦核的质量是6 6466 10 27kg 1 写出上述核反应的方程 2 计算上述核反应释放出的能量 保留3位有效数字 解析 1 73li 11h 242he 2 核反应的质量亏损 m mli mp 2m 11 6505 10 27 1 6736 10 27 2 6 6466 10 27 kg 3 09 10 29kg 释放的能量 e mc2 3 09 10 29 3 108 2j 2 78 10 12j答案 1 73li 11h 242he 2 2 78 10 12j 变式备选 根据爱因斯坦的研究成果 物体的能量和质量的关系是e mc2 这一关系叫爱因斯坦质能方程 质子的质量为mp 中子的质量为mn 氦核的质量为m 下列关系式正确的是 a m 2mp 2mn b m 2mp 2mn c m 2mp 2mn d 以上关系式都不正确 解析 选b 由核反应方程式211h 210n 42he 该反应释放能量 所以2mp 2mn m 故b正确 温馨提示 核能的计算是近几年高考的热点问题 主要考查质量亏损 质能方程的应用 有时结合核反应方程 并应用原子质量单位进行计算 典例 31h的质量是3 016050u 质子的质量是1 007277u 中子的质量是1 008665u 则 1 一个质子和两个中子结合为氚核时 是吸收还是放出能量 该能量为多少 2 氚核的结合能和比结合能各是多少 3 如果这些能量是以光子形式放出的 则光子的频率是多少 思路点拨 解答本题可以按以下思路分析 关键点 1 根据质量数和电荷数守恒写出核反应方程式 即11h 210n 31h 2 根据质量单位为u 确定核能的计算方法 规范解答 1 一个质子和两个中子结合成氚核的核反应方程式是11h 210n 31h 反应前各核子总质量为mp 2mn 1 007277u 2 1 008665u 3 024607u反应后新核的质量为mh 3 016050u质量亏损为 m 3 024607u 3 016050u 0 008557u因反应前的总质量大于反应后的总质量 故此核反应为放出能量的反应 释放的核能为 e m 931 5mev 0 008557 931 5mev 7 97mev 2 氚核的结合能即为 e 7 97mev它的比结合能为 2 66mev 3 放出光子的频率为答案 1 释放核能7 97mev 2 7 97mev2 66mev 3 1 92 1021hz 核能的计算应注意的问题爱因斯坦指出了物体的能量与它的质量的关系e mc2 在核反应过程中 确定了质量亏损 就可以计算核反应吸收或放出的能量 计算核能时应注意以下三点 1 若以kg为质量亏损 m的单位 则计算时应用公式 e mc2 2 若以原子单位 u 为质量亏损单位 则 e m 931 5mev 3 两种方法计算的核能的单位分别为 j 和 mev 1mev 1 106 1 6 10 19j 1 6 10 13j 案例展示 雷蒙德 戴维斯因研究来自太阳的电子中微子 e 而获得了2002年度诺贝尔物理学奖 他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615t四氯乙烯 c2cl4 溶液的巨桶 电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核