高中物理 19.5核力与结合能（精讲优练课型）课件 新人教版选修35.ppt

5核力与结合能 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 核子 2 核力的特点 1 核力是 的一种表现 在原子核内 核力比库仑力大得多 2 核力是短程力 作用范围在 之内 在大于0 8 10 15m小于1 5 10 15m的范围内表现为吸引力 在小于0 8 10 15m时表现为斥力 3 核力的饱和性 每个核子只跟 发生核力作用 强相互作用 1 5 10 15m 邻近的核子 3 四种基本相互作用 更短 电磁 力 万有引力 判一判 1 原子核中的质子是靠自身的万有引力聚在一起的 2 核力是强相互作用力 在原子核的尺度内 核力比库仑力大得多 3 弱相互作用的力程比强力更短 提示 1 原子核中的质子是靠强相互作用力聚在一起的 2 核力是强相互作用力 在原子核的尺度内 核力比库仑力大得多 3 弱相互作用的力程比强力更短 为10 18m 二 原子核中质子与中子的比例1 自然界中较轻的原子核 质子数与中子数大致 2 较重的原子核 中子数 质子数 越重的元素 两者相差越多 相等 大于 判一判 1 在原子核的组成中 质子数等于中子数 2 原子核大到一定程度 原子核就不稳定了 3 在宇宙演化过程中 只有稳定的原子核长久地留了下来 提示 1 在原子核的组成中 质子数与中子数大致相等 对于较重的原子核中子数大于质子数 2 原子核大到一定程度 核力不足以平衡它们之间的库仑力 原子核就不稳定了 3 在宇宙演化过程中 只有稳定的原子核长久地留了下来 不稳定的就瓦解了 三 结合能和质量亏损1 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构成的 要把它们分开也需要 这就是原子核的结合能 2 比结合能 平均结合能 原子核的结合能与 之比称为比结合能 比结合能 原子核中核子结合得越牢固 原子核越稳定 的核的比结合能最大 最稳定 能量 核子数 越大 中等大小 2 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 核子在结合成原子核时出现的质量亏损 m 与它们在互相结合过程中放出的能量 e的关系是 e mc2 小于 e m c2 3 比结合能应用前景 1 中等大小的核的比结合能 这些核最稳定 2 使较重的核分裂成中等大小的核 或者把较小的核合并成中等大小的核 都将 新的结合能 最大 释放 判一判 1 组成原子核的核子越多 它的结合能就越高 2 结合能越大 核子结合得越牢固 原子越稳定 3 质量亏损表明 的确存在着原子核的结合能 提示 1 原子核凭核力结合在一起 组成原子核的核子越多 它的结合能就越高 2 比结合能越大 核子结合得越牢固 原子越稳定 而不是结合能 3 质量亏损表明 的确存在着原子核的结合能 一 根据核力的性质解释原子核的稳定性思考探究 如图为3h和3he的原子核结构示意图 1 核子之间都有相互作用的核力 说明核力与电荷有什么关系 2 质子之间除了核力外还有什么作用力 提示 1 说明核力与电荷无关 2 质子之间除了核力外还有库仑力 归纳总结 1 核力的性质 1 核力是四种相互作用中的强相互作用 强力 的一种表现 2 核力是短程力 约在10 15m数量级时起作用 距离大于0 8 10 15m时为引力 距离小于0 8 10 15m时为斥力 距离为10 10 15m时核力几乎消失 3 核力具有饱和性 核子只对相邻的少数核子产生较强的引力 而不是与核内所有核子发生作用 4 核力具有电荷无关性 核力与核子电荷无关 2 原子核中质子与中子的比例关系 1 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 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 若只增加中子 因为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 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 核力表现方面 核力并不只是引力 当距离小于0 8 10 15m时 表现为斥力 核子不会融合在一起 2 原子核的质子数与中子数方面 较轻的原子核 质子数与中子数差不多 较重的原子核中子数大于质子数 典例示范 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 解题探究 1 原子核内的质子数与中子数的分配比例是怎样的 提示 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 原子核能否无节制地增大 提示 不能 由于核力的作用范围是有限的 以及核力的饱和性 原子核内的核子越多 原子核越不稳定 正确解答 选d 由稳定核的质子数与中子数的关系图像可知 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 过关训练 1 2015 石家庄高二检测 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 核力就是电磁力c 核力是短程力 作用范围在1 5 10 15m之内d 核力与电荷有关 解析 选c 核力是短程力 超过1 5 10 15m 核力急剧下降几乎消失 故选项c正确 核力与万有引力 电磁力不同 故选项a b错误 核力与电荷无关 故选项d错误 2 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聚集在一起组成原子核 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 如 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 补偿训练 1 下列说法正确的是 a 质子数与中子数相等的原子核最稳定b 若两个核子间的距离为1 2 10 15m 则它们间的核力表现为引力c 两个核子间的核力一定为引力d 两个质子间的核力与库仑力一定是一对平衡力 解析 选b 中等质量的原子核最稳定 但这些原子核内的质子数和中子数不一定相等 a错误 两个核子间的距离0 8 10 15m r 1 5 10 15m时表现为引力 r 0 8 10 15m时表现为斥力 b正确 c错误 一个质子可以受到多个质子对它的库仑力作用 而核力只发生在相邻的核子间 两个质子间的核力与库仑力不一定形成平衡力 d错误 2 多选 核力的特点是 a 核力是一种强相互作用b 核力是一种长程力 任意两个核子间都存在核力c 核力只发生在质子之间或质子和中子间 中子间不存在核力d 核力具有饱和性 解析 选a d 核力是一种强相互作用 a正确 但是核力是一种短程力 仅仅存在于相邻的核子之间 相邻的核子可以是质子和质子 也可以是质子和中子 还可以是中子和中子 因此b c错误 d正确 规律方法 记忆核力特点技巧 1 核子既包括质子也包括中子 质子带电中子不带电 所以核力与电荷无关 2 原子核非常小 所以核力属于短程力 3 质子间是库仑斥力 核力比库仑力大得多 属于强相互作用力 二 结合能与原子核的稳定性思考探究 如图所示为原子核的比结合能示意图 1 比结合能最小的是什么原子核 说明什么问题 2 随着质量数的增加 比结合能曲线整体上有什么变化规律 提示 1 是氘原子核 说明氘原子核不稳定 2 随着质量数的增加 比结合能曲线整体上先增大再减小 中等大小核的比结合能最大最稳定 归纳总结 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 4 比结合能与原子核稳定的关系 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 表示该原子核就越稳定 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 就可能释放核能 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 特别提醒 1 原子核的稳定性方面 不是结合能而是比结合能越大原子核越稳定 2 核的大小与原子核稳定的关系方面 中等大小核的比结合能最大 原子核最稳定 典例示范 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 解题探究 1 核子结合成原子核时是放出能量还是吸收能量 提示 释放能量 因为核子结合成原子核时 核力做正功 原子核将向外释放能量 2 结合能越大 原子核越稳定吗 提示 不一定 比结合能反映原子核的稳定程度 即比结合能越大 原子核越稳定 正确解答 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 它需要吸收相应的能量 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 过关训练 1 如图所示是原子核的平均核子质量a与原子序数z的关系图像 下列说法正确的是 a 若d e能结合成f 结合过程一定要释放能量b 若d e能结合成f 结合过程一定要吸收能量c 若c b能结合成a 结合过程一定要释放能量d 若f c能结合成b 结合过程一定要释放能量 解析 选a d e平均核子质量大于f平均核子质量 d e结合成f 出现质量亏损 要释放能量 a对b错 c b结合成a f c结合成b都是质量增加 结合过程要吸收能量 c d错 2 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 核子结合成原子核要放出能量 这个能量叫原子核的结合能 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 所以比结合能为答案 补偿训练 1 多选 某种原子序数大于90的原子核不稳定 分裂成三个质量较小的新核和某种射线 关于该分解过程正确的是 a 一定放出能量b 新核的比结合能更小c 放出的射线可能为x射线d 若放出的射线为 射线 则分解过程中存在弱相互作用 解析 选a d 分裂后的原子核的质量数比分裂前小 所以比结合能增大 一定放出能量 a正确 b错误 放出的射线只可能是 中的某一种 不可能是x射线 c错误 射线是中子转化为质子时产生的 而弱相互作用就是在中子转化为质子时起作用 故d正确 2 下列说法正确的是 a 两个结合能小的原子核结合成一个结合能大的原子核一定要吸收能量b 比结合能就是原子核的能量与核子数的比c 比结合能就是两种原子核的结合能之比d 铁元素的比结合能大于氢元素的比结合能 解析 选d 吸收或放出能量取决于比结合能大小 与结合能大小无关 两个轻核结合成一个较大质量的核要放出能量 a错误 比结合能是结合能与核子数之比 b c均错误 中等质量的铁核的比结合能远大于氢核的比结合能 d正确 规律方法 结合能的应用技巧 1 组成原子核的核子越多 结合能越高 2 结合能与核子个数之比称作比结合能 比结合能越大原子核越稳定 3 结合能通常只用在原子核中 三 质量亏损与质能方程思考探究 如图所示是原子核转变示意图 1 在核反应过程中遵循什么规律 2 核反应过程中质量守恒吗 提示 1 在核反应过程中遵循质量数守恒 电荷数守恒 2 核反应过程中质量不守恒 会发生质量损亏 归纳总结 1 质量亏损 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 mc2 2 质能方程e mc2 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 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 e mc2 3 质能方程的本质 质量或能量是物质的属性之一 决不能把物质和它们的某一属性 质量和能量 等同起来 质能方程揭示了质量和能量的不可分割性 方程建立了这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的联系决不等于这两个量可以相互转化 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 3 核能的计算方法 根据质量亏损计算 1 根据核反应方程 计算核反应前和核反应后的质量亏损 m 2 根据爱因斯坦质能方程 e mc2计算核能 其中 m的单位是千克 e的单位是焦耳 3 根据能量守恒和动量守恒来计算核能 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 利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化 4 利用平均结合能来计算核能 原子核的结合能 核子的平均结合能 核子数 核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差 就是该次核反应所释放 或吸收 的核能 4 判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法 1 根据反应前后质量的变化情况进行判断 若质量减少即发生了质量亏损 则释放能量 若质量增加 则吸收能量 2 根据动能变化判断 若不吸收光子而动能增加则放出能量 特别提醒 1 质量亏损时核子的个数方面 质量亏损也不是核子个数的减少 核反应中核子个数是不变的 2 质量与能量的关系方面 爱因斯坦质能方程说明了质量和能量这两个物理量间的对应关系 说明有质量就有能量 并不是说质量转化为能量 典例示范 用中子轰击锂核 发生核反应 生成氚核 和另外一个粒子 并放出4 8mev的能量 1 写出核反应方程 2 求出质量亏损 解题探究 1 如何确定另一个粒子的种类和质量数 提示 利用电荷数守恒确定粒子的种类 利用质量数守恒确定粒子的质量数 2 计算核能时 能量单位有哪两种取值方法 提示 根据爱因斯坦质能方程 e mc2计算核能时 m的单位是千克 e的单位是焦耳 利用原子质量单位u和电子伏特计算核能时 e m 931 5mev 其中 m的单位是u e的单位是mev 正确解答 1 利用电荷数守恒可得粒子的电荷数为2 利用质量数守恒可得粒子的质量数为4 所以粒子为氦原子核 核反应方程为 2 依据 e m 931 5mev得 m 0 0052u答案 1 2 0 0052u 过关训练 1 2015 江苏高考 取质子的质量mp 1 6726 10 27kg 中子的质量mn 1 6749 10 27kg 粒子的质量m 6 6467 10 27kg 光速c 3 0 108m s 请计算 粒子的结合能 计算结果保留两位有效数字 解析 粒子由两个质子和两个中子组成 根据爱因斯坦质能方程 e mc2 可求 e 2mp 2mn m c2 4 3 10 12j 答案 4 3 10 12j 2 三个 粒子结合成一个碳 已知碳原子的质量为12 0000u 氦原子的质量为4 0026u 1u 1 66 10 27kg 1 写出核反应的方程 2 这个核反应放出的能量是多少焦 3 这个能量合多少mev 解析 1 2 m 3 4 0026u 12 0000u 0 0078u m 0 0078 1 66 10 27kg 1 2948 10 29kg e mc2 1 165 10 12j 3 e 7 28 106e