2019-2020学年高中物理 第四章 原子核 第四节 核力与结合能学案 粤教版选修3-5

第4节核力和结合能1.了解核力及其特性。2.了解原子核的结合能和质量缺陷，并能用质量-能量方程计算。3.理解为什么轻原子核和重原子核中的中子和质子数有不同的比例。一、核力量及其性质1.核力：构成原子核的原子核之间有很强的相互作用力，这使得原子核能够克服库仑排斥，紧紧地结合在一起。这种力被称为核力。2.核力的本质：核力是一种非常强大的力，主要表现为0.510-15米到210-15米之间的重力。当距离大于210-15米时，核力迅速减小到零，因此核力是短程力。在不到0.510-15米的距离内，核力被转化为一种强排斥力，导致原子核不能融合在一起。1.(1)核力是强相互作用，在任何情况下都大于库仑力。()(2)原子核中的质子依靠万有引力来抵消库仑排斥。(3)弱相互作用是衰变的原因。()提示：(1)(2)(3)二。重核和轻核1.原子核中质子的数量也称为原子序数。2.重核：对应于元素周期表中较低元素的核称为重核。3.轻核：对应于元素周期表中较高元素的核称为轻核。三。结合能1.结合能：由于原子核之间有很强的核力，要把原子核分裂成原子核，必须克服核力做功，即提供一定的能量。另一方面，当原子核结合成原子核时，会释放出一定的能量，这叫做原子核的结合能。2.爱因斯坦的质量能量方程：当原子核结合成原子核时，在反应前后都有质量缺陷。质量不足相当于反应中释放的能量。它们之间的关系遵循爱因斯坦的质量能量方程。也就是说，e=e=mc2，e是反应中释放的能量，也就是结合能，而m是质量缺陷。3.平均结合能：一个原子核的结合能与原子核数目的比值称为原子核的平均结合能。平均结合能越大，原子核越稳定。2.(1)组成原子核的原子核越多，其结合能就越大。()(2)结合能越大，核结合越强，原子越稳定。()(3)结合能较大的原子核更稳定，因此其结合能也必须较大。()提示：(1)(2)(3)对结合能的理解1.核反应伴随着能量的变化因为原子核之间有巨大的核力，所以原子核是一个固体集团。为了将原子核分裂成原子核，它需要克服核力来做巨大的功和巨大的能量。当氘被分裂成中子和质子时，它需要能量等于或大于2.2兆电子伏的伽马光子辐射。核反应方程式是hh n。在相反的过程中，当一个中子和一个质子结合形成一个氘，它释放2.2兆电子伏的能量。这种能量以伽马光子的形式辐射。核反应2.结合能和平均结合能(1)结合能：由于核力的存在，当原子核结合成核时，会释放一定量的能量，当原子核分解成核时，会吸收相同量的能量。核反应中释放或吸收的能量称为原子核的结合能。(2)平均结合能：原子核的结合能与原子核数目的比值。平均结合能越大，原子核中的原子核结合越强，原子核越稳定。3.平均结合能曲线：如图所示，不同原子核的平均结合能随着质量数的变化而变化。从图中可以看出，中等质量核的平均结合能最大，轻核和重核的平均结合能小于中等质量核。平均结合能比结合能更有意义，这反映了核结合的稳定性或分裂的难度。(多选)关于原子核的结合能和平均结合能，以下陈述是正确的()当原子核与原子核结合时，原子核的结合能等于核力所做的功。原子核的结合能等于把原子核从原子核中分离出来并通过外力克服核力所做的功分析在原子核中，原子核和原子核之间有核力。为了把原子核从原子核中分离出来，需要外力来克服核力做功。当自由原子核结合成原子核时，核力会做功并释放能量。对于某些原子核，每个原子核的平均结合能称为平均结合能。不同原子核的平均结合能是不同的。重核的平均结合能小于中等质量核，轻核的平均结合能小于稍重核。回答美国广播公司(多选)关于原子核的结合能，以下陈述是正确的()a.原子核的结合能等于将它完全分解成自由核所需的最小能量一个重核衰变为一个粒子和另一个核，衰变产物的结合能之和必须大于原始重核的结合能c.铯核的结合能小于铅核的结合能平均结合能越大，原子核越不稳定分析：选择作业成本法。当原子核分解成自由核时，所需的最小能量是原子核的结合能。选项a是正确的；当重核衰变时，释放能量，衰变产物更稳定，即衰变产物的平均结合能更大，衰变前后的核数不变，因此衰变产物的结合能之和必须大于原重核的结合能，选项b是正确的；铯原子核比铅原子核少，它们的结合能也小。选项c是正确的。平均结合能越大，原子核越稳定。选项d是错误的。对质量能量方程的理解1.质量缺陷：所谓的质量缺陷并不意味着质量消失。在原子核结合成原子核的过程中，质量减少了，以能量的形式辐射出去。另一方面，将原子核分裂成原子核需要增加总质量和总能量。增加的能量需要从外部供应。简而言之，物体的能量和质量之间有着密切的关系，它们之间的关系是e=mc2。2.质量能量方程e=mc2(1)质量-能量方程表明，一定的质量总是与一定的能量相联系的。具体地说，一个物体拥有一定质量的总能量是一定的，等于光速的平方和它的质量的乘积。这里提到的总能量不仅是物体的动能、核能或任何其他能量，也是物体所拥有的各种能量的总和。(2)根据质量能量方程，物体的总能量与其质量成正比。随着物体质量的增加，总能量也会增加。当质量减小时，总能量减小，质量-能量方程也写成e=e=mc2。(3)质能方程的本质(1)质量或能量是物质的属性之一，不能把物质等同于它们的属性之一(质量和能量)；(2)质能方程揭示了质量和能量的不可分割性。该等式建立了两个属性之间的数值关系。这两个量分别符合质量守恒和能量守恒。质量和能量之间的数值关系决不等于两个量的相互转换。(3)质量缺陷并没有否定质量守恒定律。根据爱因斯坦的相对论，虽然辐射的光子静止质量为零，但它有一个移动质量，这个移动质量正好等于损失质量，所以质量和能量守恒仍然有效。下面的语句，正确的是()爱因斯坦的质能方程反映了物体的质量就是能量，能量可以相互转化。从e=mc2，可以看出能量和质量之间有一个比例关系，物体的质量可以用来衡量它所包含的能量。c.在核反应中发现的“质量缺陷”是失去的质量转化为能量d.因为在核反应中能量可以产生，质量可以转换，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量不守恒。分析 e=mc2表明能量和质量之间有联系，即能量和质量之间有比例关系，但并不表明能量和质量之间有相互转化关系，所以a是错误的，b是正确的；核反应中的“质量缺陷”不会在质量上消失，而是质量-能量方程反映了质量和能量之间的对应关系。物体的能量与其质量成正比，也就是说，一定量的能量必须对应一定量的质量，而质量不能转化为能量。核能的计算方法1.按质量缺陷计算(1)根据核反应方程：计算核反应前后的质量缺陷m。(2)核能是根据爱因斯坦的质量能量方程e=mc2或e=e=mc2计算的。2.用原子质量单位u和电子伏特之间的关系计算(1)阐明原子质量单位u和电子伏特之间的关系：因为1u=1.660 610-27千克那么e=mc2=1.660 610-27 (2.997 9108) 2j1.492 410-10 j另一个1ev=1.602 210-19j那么e=1.492 410-10 j=931.5 mev。(2)根据(1)原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏能量，当原子核结合成原子核时，质量缺陷的原子质量单位的数量乘以931.5兆电子伏，即e=e=m 931.5兆电子伏。3.使用特定的组合能量来计算核能核结合能=核的比结合能数。反应前体系中所有原子核的总结合能与核反应中反应后产生的所有新原子核的总结合能之差，是次级核反应释放(或吸收)的核能。氢的质量是3.016 050 u，质子的质量是1.007 277 u，中子的质量是1.008 665 u。请注意：(质量缺陷1 u等于释放能量的931.5 mev)(1)当一个质子和两个中子结合形成氚核时，它吸收还是释放能量？能量是什么？(2)氚核的结合能和比结合能分别是什么？分辨力 (1)一个质子和两个中子结合形成氚核的反应方程为h 2n h，反应前每个核的总质量为mp+2mn=(1.007 277+21.008 665)u=3.024 607 u，反应后新核的质量为mh=3.016050 u，质量缺陷是m=(3.016 050-3.024 607)u=-0.008 557 u因为反应前的总质量大于反应后的总质量，所以核反应放出能量。释放的核能是e=0.008 557931.5兆电子伏7.97兆电子伏。(2)氚核的结合能为e=7.97 mev，其比结合能约为2.66兆电子伏。回答 (1)释放能量，能量为7.97兆电子伏(2)7.97兆电子伏2.66兆电子伏(1)计算过程中m的单位为kg，e的单位为j(2)如果m的单位是u，e的单位是mev，则公式e=e=m 931.5 mev可直接用于计算核能。课堂测试1.氦核由两个质子和两个中子组成。两个质子之间有万有引力、库仑力和核力。三种力从大到小的顺序是()a.核力、重力、库仑力b.重力，库仑力，核力c.库伦力，核力，重力d.核力、库仑力、重力分析：选择d。核力是核子之间的一种强相互作用。它的相互作用力很大，远远超过两个质子之间的库仑力。两个质子之间的引力远小于库仑力。因此，选项d是正确的。2.原子核结合成原子核或原子核分解成原子核伴随着巨大的能量变化，因为()a.原子核带正电荷，电子带负电荷，电荷之间有很大的库仑力b.核子有质量，非常接近，有巨大的引力。原子核之间有很强的核力d.原子核之间存在复杂的磁力分析：选择c。原子核之间存在核力。当原子核结合成原子核或原子核分解成原子核时，必须克服核力。因此，随着能量的巨大变化，选择c .3.根据爱因斯坦的研究结果，物体的能量和质量之间的关系是e=mc2，这就是爱因斯坦的质量-能量方程。质子的质量是mp，中子的质量是mn，氦核的质量是m。以下关系是正确的()a.m=(2mp+2mn) b.m(2mp+2mn)c.以上关系都不正确。分析：选择b .核能应该在成核过程中释放，所以正确的选择是b .4.如图所示是描述原子核的平均质量与原子序数z曲线之间的关系，从图中可以看出以下说法是正确的()a.将原子核a分裂成原子核b和c可以吸收能量b.将原子核d和e结合成原子核f可以吸收能量c.将原子核a分解成原子核b和f必须释放能量d.combini分析：选择c。因为b和c的平均核质量小于a的平均核质量，当a分解为b和c时，质量缺陷发生，因此释放核能。因此，答错了。同样，b和d是错的，c是对的。5.众所周知，氮核的质量mn为14.00753u，氧核的质量mo为17.00454u，氦核的质量mhe为4.00387u，质子的质量mh为1.00815u。能量改变了多少？分析：反应前总质量锰当量=18.01140u反应后，总质量为18.01269因为反应中的质量增加，反应是能量吸收反应，吸收的能量是e=mc2=(钼氢)-(锰氢)，c2=(18.01269-18.01140) 931.5兆电子伏 1.2兆电子伏。答：能量吸收反应能的变化是1.2兆电子伏课堂作业i .选择题1.原子核的平均结合能和质量数之间的关系如图所示。当原子核结合成原子核时()a.小质量数核质量缺陷最大b.中等质量数的原子核质量缺陷最大c.大质量数核质量缺陷最大d.不同质量数的核质量缺陷是相同的分析：选择b。平均结合能越大，原子核越稳定。从图中可以看出，中等质量原子核的平均结合能最大。当两个较轻的原子核结合成一个新的原子核时，巨大的能量就会释放出来。因此，中等质量的细胞核具有最大的质量缺陷，选项b是正确的。2.在下面的判断中，正确的是()在构成铀原子核的任何两个原子核之间，都有一种不可忽视的核力效应在构成原子核的中子中，任何两个中子之间都有不可忽略的核力效应组成原子核的质子中的任何两个质子之间都有不可忽略的库仑排斥d.在构成u核的质子中，任何两个质子之间都有一个不可忽略的核力。分析：选择c。核力属于短程力。由于组成铀原子核的原子核很多，两个原子核之间的距离可能超过核力的作用范围，所以一些原子核之间的力可能相对较小，所以选项a、b和d是错误的，但是任何两个质子之间都有库仑排斥，所以选项c是正确的。3.质子、中子和氘的质量分别为m1、m2和m3，真空中光速为c。当质子和中子结合形成氘时，释放的能量为()a3 c2 b .(m1+m2)c2c.(m3-m2-m1)c2 d.(m1+m2-m3)c2分析：当质子和中子结合形成核氘时，总质量减少，即质量缺陷m=m1m2-m3。根据质量