19.5第五节 核力和结合能.ppt

第五节核力和结合能 知识梳理图 知识点 1 核力2 结合能3 质量亏损 质能方程情景设置原子核很小 结构却十分复杂 除氢核外其他各种元素的原子核中既有带正电的质子 又有不带电的中子 那么质子间的静电斥力为什么没把它们驱散开来 深化探究一 核力1 四种基本相互作用自然界存在四种基本相互作用 1 引力相互作用 2 电磁相互作用 3 强相互作用力 强力 4 弱相互作用力2 核力 组成原子核的相邻的核子之间存在着一种特殊的力 叫做核力 核力的特点 1 核力是强相互作用 强力 的一种表现 在它的作用范围内 核力比库仑力大得多 2 核力是短程力 作用范围在1 5 10 15m内 核力在大于0 8 10 15m时 表现为吸引力 且随距离的增大而减小 超过1 5 10 15m 核力急剧下降几乎消失 而在距离小于0 8 10 15m时 核力表现为斥力 因此核子不会融合在一起 3 每个核子只跟相邻的核子发生核力的作用 这种性质称为核力的饱和性 二 原子核中质子和中子的比例1 轻核与重核的比例自然界中较轻的原子核 质子和中子数大致相等 较重的原子核 中子数大于质子数 越重的两者相差越多 2 对质子和中子比例的解释原子核越大 有些核子之间的距离越来越远 随着距离的增加 核力与电磁力都会减小 但核力减小得更快 所以 原子核大到一定程度时 相距较远的质子间的核力不足以平衡它们的库仑力 这种原子核是不稳定的 这时 不再成对地增加质子和中子 而只有增加中子 中子与其他核子没有库仑力 但有相互吸引的核力 所以有助于维系原子核的稳定 由于这个原因稳定的重原子核里 中子数要比质子数多 由于核力的作用范围是有限的 以及核力的饱和性 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 三 结合能1 结合能 核子结合成原子核时放出能量或原子核分解成核子时要吸收能量 都叫原子核的结合能 例如 用光子照射氘核 21H 只有入射光的能量等于或大于2 2MeV时 才能使它分解为质子和中子 反过来 使一个质子和一个中子结合成氘核 会放出2 2MeV的能量 因此氘核的结合能为2 2MeV2 比结合能 原子核的结合能与其核子数之比 称为比结合能 也叫平均结合能 3 比结合能与原子核的稳定性 1 比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度 比结合能越大 原子核就越难拆开 原子核就越稳定 2 核子数较少的轻核和核子数较多的重核 比结合能都比较小 中等核子数的原子核 比结合能较大 表示这些原子较稳定 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 就可以释放核能 四 质量亏损和质能方程1 质量亏损 组成原子核的核子的总质量与新原子核的质量之差 叫做核的质量亏损 2 质能方程 原子核释放能量时 要产生质量亏损 物体的能量和能量之间的关系是E mc2或 E mc2这就是爱因斯坦质能方程 因此在计算核能时 可以通过计算质量亏损 m再代入质能方程求出核能 注意 爱因斯坦的质能方程反映的是质量亏损和释放出的核能这两种现象的联系 并不表示质量和能量间的转化关系 对质量亏损 切忌不能误解为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 决不能把物质和它的某属性 质量或能量 等同起来 第二 质能方程揭示了质量和能量不可分割性 方程建立了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 质量和能量在数值上联系决不等于这两个量可以相互转化 第三 质量亏损不是否定了质量守恒定律 根据爱因斯坦的相对论 辐射出的 光子静质量虽然为零 但它有动质量 而且这个动质量刚好等于亏损的质量 所以质量守恒 能量守恒仍成立 典例分析一 对四种基本作用的理解例1 科学研究表明 自然界存在四种基本相互作用 我们知道分子之间也存在相互作用的引力和斥力 那么分子力实质上属于 A 引力相互作用B 电磁相互作用C 强相互作用和弱相互作用的共同作用D 四种基本相互作用的共同作用 解析 分子作用范围约在10 10m数量级上 强相互作用和弱相互作用都是短程作用力 作用范围在10 15m和10 18m之内 在这个距离内不存在分子力 在这个范围内引力作用和电磁作用都存在 但由于电磁力远大于万有引力 引力作用可以忽略不计 因此分子力本质上属于电磁相互作用 答案 B 二 对核力 原子核内核子比例的理解例2 对核子结合成原子核的下列说法正确的是 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 当几个核子靠近到核力作用的范围而结合为原子核时 其间 势能 一定减小D 对质子数较多的原子核 其中的中子起到增加核力 维系原子稳定的作用 解析 由于核力是近程力 只会发生在相邻的核子之间 由此可知A B选项错误 当几个核子靠近到核力作用范围内 距离大于0 8 10 15m 核力表现为引力 在此过程中核力必做正功 其间势能必定减小 形成原子核后一般不小于0 8 10 15m 故C正确 对质子数较多的原子核 由于只有相邻的核子之间才有核力 但各个质子间均有很强的库仑斥力 随着质子数的增加其库仑力增加 对于稳定的原子核 必须存在较多的中子才能维系二者的平衡 故D选项正确 答案 CD 巩固练习1 关于原子核的组成 下列说法正确的是 A 核力可使一些中子组成原子核B 核力可使较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含有中子 解析 由于原子核带正电 不存在只有中子的原子核 但核力也不能把较多的质子聚集在一起组成原子核 原因是核力为短程力 质子之间存在着 长程力 库仑力 故A B选项错误 自然界中存在只有质子的原子核 如11H 故C选项错误 较大质量的原子核内只有存在一些中子 才能消弱库仑力维系原子核的稳定 故D选项正确 答案 D 三 对质量亏损和质能方程的理解例3 对于爱因斯坦提出的质能方程E m 5c2 下列说法正确的是 A 获得一定的能量 质量也相应的增加一定的值B 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C 根据 E m 5c2 可知质量减少能量就会增加 在一定条件下质量转化为能量D 根据 E m 5c2可以计算核反应中释放的核能 解析 根据质能方程E m 5c2表明一定的质量和一定的能量是相联系的 当物体获得一定的能量 即能量增加某一定值时 它的质量也相应地增加一定值 这种关系在任何条件下都成立 故A选项正确 B选项错误 根据 E m 5c2可以计算核反应中释放的能量 释放的能量并非由质量转化而来的 故C选项错误 D选项正确 答案 AD点评 核反应中的质量亏损 并不是这部分质量消失或质量转化为能量 物体的质量应包括静止质量和运动质量 质量亏损是静止质量的减少 减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量 另外 质量亏损也不是核子数的减小 核反应中核子数是不变的 巩固练习2 中子n 质子p 氘核D的质量分别为mn mp mD 现用能量为E的 射线照射静止的氘核使之分解 反应方程为 D p n 若分解后的中子 质子的动能可视为相等 则中子的动能为 A mD mn mp c2 E B mp mn mD c2 E C mD mn mp c2 E D mp mn mD c2 E 解析 核反应过程中的质量亏损 m mD mp mn核反应过程中释放的能量 E mc2 mD mp mn c2质子和中子的总能量为E E 中子的动能是总能的一半 则C选项正确 答案 C 梯度练习基础强化1 对核力的认识 下列说法中正确的是 A 任何物体之间均存在核力B 核力存在于原子核内各核子之间C 核力只发生在相距1 5 10 15m的核子之间 大于0 8 10 15m为吸引力 而小于0 8 10 15m为斥力D 核力只存在于质子与质子之间答案 C 2 核子结合成原子核或原子核分解为核子时 都伴随着巨大的能量变化 这是因为 A 原子核带正电 电子带负电 电荷间存在很大的库仑力B 核子具有质量且相距很近 存在很大的万有引力C 核子间存在着强大的核力D 核子间存在着复杂的磁力答案 C 3 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 不可能无节制的增大原子核而仍稳定存在 解析 原子核中质子数和中子数不一定相等 特别是原子序数越大的原子核中 中子数比质子数多 且原子序数大的和小的都没有中等质量原子稳定 故A B C选项错误 又由于核力是极短程力及饱和性的特点 使原子核不可能无节制的增大 故D选项正确 答案 D 4 对于公式 E mc2下列说法正确的是 A 能量可以转化成质量B 质量可以转化成能量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 5 质子 中子 氘核的质量分别为m1 m2 m3 那么质子和中子结合成氘核时放出的能量是 A m3c2B m1 m2 c2C m1 m2 m3 c2D m3 m1 m2 c2答案 C 能力提升6 对于结合能 比结合能的认识 下列说法正确的是 A 一切原子核均具有结合能B 自由核子结合成原子核 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 解析 自由核子结合成原子核的过程 核力做正功 释放出能量 反之 将原子核分开变为自由核子 它将赋予相应的能量 该能量即为结合能 故A正确 B错误 对核子较多的原子核结合能越大 但它的比结合能不一定大 比结合能越大的原子核越稳定 故C选项错误 D选项正确 答案 AD 7 关于核力的说法正确的是 A 核力同万有引力没有区别 都是物体间的作用B 核力与电荷有关C 核力是弱相互作用 作用力很小D 核力是强相互作用 是强力答案 D 8 2008 全国高考 中子和质子结合成氘核时 质量亏损为 m E mc2 2 2MeV是氘核的结合能 下列说法正确的是 A 用能量小于2 2MeV的光子照射静止氘核时 氘核不能分解为一个质子和一个中子B 用能量等于2 2MeV的光子照射静止氘核时 氘核可能分解为一个质子和一个中子 它们的动能之和为零C 用能量大于2 2MeV的光子照射静止氘核时 氘核可能分解为一个质子和一个中子 它们的动能之和为零D 用能量大于2 2MeV的光子照射静止氘核时 氘核可能分解为一个质子和一个中子 它们的动能之和不为零 解析 中子和质子结合成氘核所释放的能量或氘核分解成质子和中子所吸收的能量都相等 即为此反应的结合能 根据动量守恒 用光子照射静止的氘核 系统的总动量不为零 故照射后总动量也不能为零 则总动能亦不能为零 故A D选项正确 答案 AD 9 2个质子和1个中子结合成氦3 32He 反应方程式为 211H 10n 32He 已知每个质子质量为1 007277u 中子质量为1 008665u 氦核的质量为3 002315u 求32He的结合能 已知1u 1 6606 10 27kg 解析 求出反应过程中的质量亏损 再由爱因斯坦的质能方程即可求解 粒子结合前后的质量亏损 m 2mH mn m 0 020904u由质能方程 E mc2 0 020904 1 6606 10 27 3 00 108 2J 3 1198 10 12J答案 3 1198 10 12J 10 一个原来静止的锂核 63Li 俘获一个速度为7 7 104m s的中子后 生成一个氚核和一个氦核 已知氚核的速度大小为1 0 103m s 方向与中子的运动方向相反 1 试写出核反应方程 2 求出氦核的速度 3 若让一个氘和一个氚核发生聚变 可产生一个氦核同时放出一个中子 求这个核反应释放出的能量 已知氘核质量mD 2 014102u 氚核质量为mT