24-25高中物理人教版选择性必修第三册讲义 26 第五章 3．核力与结合能

10/103．核力与结合能1．知道四种相互作用，知道核力的性质。2．认识原子核的结合能和比结合能的概念。3．能用质量亏损和质能方程计算与核能相关的问题。核力与四种基本相互作用1．强相互作用(1)定义：原子核中的核子之间存在一种____的相互作用，即存在一种____，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核，这种作用称为__________。(2)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是短程力，作用范围只有约______________。2．弱相互作用(1)定义：在某些放射现象中起作用的还有另一种基本相互作用，称为__________。(2)也是短程力，作用范围只有_________________。3．四种基本相互作用提醒：强相互作用是短程力，每个核子只跟相邻的核子发生作用，也叫核力的饱和性。如图为13H和【问题】(1)质子都带正电，质子与质子之间存在着库仑斥力，为什么23(2)自然界中存在的元素是有限的，为什么质子与中子不能随意地组合从而形成无数种不同的原子核？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1.5×10-15m之内。在距离大于0.8×10-15m时核力表现为引力，且随着距离增大而减小，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)核力的饱和性：每个核子只跟邻近的核子发生核力作用，不是与核内所有核子都发生作用。特别提醒：核力与核子是否带电无关。质子与质子之间、质子与中子之间、中子与中子之间都可以有核力作用，与核子的电荷无关。2．四种基本相互作用【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：(1)核力是短程力且有饱和性。(2)稳定的重原子核里中子数比质子数多。[听课记录][跟进训练]1．(多选)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．自然界中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结合能1．结合能原子核是____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．比结合能原子核的结合能与______之比，称作比结合能，也叫____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。如图所示是氘核分裂为质子和中子的过程。【问题】(1)氘核分裂为质子和中子的过程是吸收能量还是释放能量？(2)使一个质子和一个中子结合成氘核的过程中呢？1．比结合能曲线不同原子核的比结合能随质量数变化的图线如图所示。从图中可看出，中等质量数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数的原子核要小。2．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)结合能的大小与组成原子核的核子数有关，组成原子核的核子数越多，结合能越大。(2)并不是结合能越大的原子核越稳定，而是比结合能越大，原子核越稳定；原子核较大时，原子核的结合能尽管很大，但原子核却会变得很不稳定，很容易发生衰变。【典例2】原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的是()A．24HeB．两个12H核结合成C．36Li核比D．U核中核子的平均结合能比Kr核中的大[听课记录][跟进训练]2．氦核作用能将恒星中的氦转换成重元素，其中α粒子融合到816O核中的核反应方程为24He+816O→1020Ne+γ。已知α粒子的结合能为2.84×107eV，A．8.06×106eV B．7.58×106eVC．2.30×105eV D．6.40×106eV质量亏损1．质能方程物体的能量与它们质量的关系是：E＝__________。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。提醒：原子核的核子结合成原子核释放的能量与把它们分开需要的能量相等。如图所示是钚原子核衰变示意图，此过程伴随γ光子辐射。【问题】(1)在钚反应过程中质量数、电荷数是否守恒？(2)核反应中γ光子的能量是否就是钚原子核的结合能？(3)衰变时是吸收能量还是释放能量？1．对质量亏损的理解(1)质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成新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。(2)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γ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)质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来。(4)质量亏损是核反应前与核反应后的质量之差。2．对质能方程E＝mc2的理解(1)质量、能量是物质的两种属性，它们之间不能相互转变。(2)质能方程建立了质量和能量之间的数量关系，即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ΔE＝Δmc2。3．核反应中核能的计算(1)任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和，即核子组成原子核时会发生质量亏损，释放能量ΔE＝Δmc2。(2)当核反应中发生质量亏损时，释放能量；反之，当质量增加时，吸收能量；释放或吸收的能量ΔE＝Δmc2。【典例3】(2022·辽宁卷)2021年12月，中国锦屏地下实验室发表了首个核天体物理研究实验成果，表明我国核天体物理研究已跻身国际先进行列。实验中所用的核反应方程为X+1225Mg→1326Al，已知X、1225Mg、1326Al的质量分别为m1、m2A．X为氘核12H B．XC．E＝(m1＋m2＋m3)c2 D．E＝(m1＋m2－m3)c2[听课记录]核反应吸、放能量的判定方法(1)根据反应前后的质量变化。质量亏损——释放能量质量增加——吸收能量(2)根据反应前后的比结合能的变化。比结合能变大——释放能量比结合能变小——吸收能量[跟进训练]3．氘核12H可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式612H→224He+211H+201n＋43.15MeV表示。海水中富含氘，已知1kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等；已知1kgA．40kg B．100kgC．400kg D．1000kg1．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，那么分子力实质上是属于()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2．(2023·全国乙卷)2022年10月，全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴，其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测做出重要贡献。由观测结果推断，该伽马射线暴在1min内释放的能量量级为1048J。假设释放的能量来自物质质量的减少，则每秒钟平均减少的质量量级为(光速为3×108m/s)()A．1019kg B．1024kgC．1029kg D．1034kg3．(多选)如图所示是原子核的核子平均质量与原子序数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A能分裂成B、C，分裂过程一定要释放能量D．若A能分裂成B、C，分裂过程一定要吸收能量4．13H的质量是3.0162u，质子的质量是1.0078u，中子的质量是1.0087u(质量亏损1u释放的能量约为931.5MeV)。((1)一个质子和两个中子结