《核力与结合能》教案

《核力与结合能》教案【课标要求】了解核力性质。知道四种相互作用认识原子核的结合能。【学习目标】（1）知道4种基本相互作用，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）能用质量亏损和智能方程计算核能相关的问题。【教材分析】本节是在学生已经学习了原子核是由质子和中子组成的基础上，探究是什么作用使质子和中子有机的组成一个稳定的整体。为此首先安排了“核力与四种相互作用”阐明万有引力、电磁力和核力分别在不同的尺度上发挥作用。在这一部分，充分体现了大胆“猜想”在研究中的作用。核力是从力的角度认识原子核，结合能是从能的角度认识原子核。【学情分析】学生已经学习了库仑力，知道同种电荷之间相互排斥，但是质子带正电，是如何紧密结合在一起的。如何从力的角度和能的角度认识原子核，也是学生比较想知道的。同时这一部分的学习，为后续的裂变和聚变学习打下基础。【教学过程】（1）问题引入原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成的。在原子核那样狭小的空间里，带正电的质子为什么能够挤在一起而不散开？是万有引力的作用吗？可以让学生通过计算，去比较万有引力和库仑力的大小，为了计算方便，仅给出数量级。质子间距数量级为10-15m；质子质量数量级为10-27kg；质子电量数量级为10-19kg；万有引力常量数量级为10-11；静电力常量数量级109。通过计算发现由此看到，万有引力无法抵消库仑力斥力，物理学家发现：有第三种力存在，是这种力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。这就是核力（2）核力使核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核的力1.核力是一种强相互作用。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。2.核力是短程力。约在10-15m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，因此核子不会融合在一起；距离为10×10-15m时核力几乎消失3.核力具有饱和性，即每个核子只跟相邻的核子产生核力作用。4.核力与电荷无关，它存在于质子、质子间,中子、中子间，质子、中子间。（3）四种相互作用要说明四种相互作用在不同的尺度上。（4）结合能宏观模型：相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，运动速度越来越大，引力势能转化为动能，最后撞在一起，动能变成它们的内能散失掉了。两个物体为了结合而付出了代价，失去了一些能量，如果要把它们分开，还要重新赋予它们这份能量。由于核子间存在着强大的核力，所以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。当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量。这个能量叫做原子核的结合能。微观模型：用γ光子照射氘核，可以使它分解为一个质子和一个中子，从实验知道，只有当光子能量等于或者大于2.22MeV时，这个反应才会发生。相反的过程是一个质子和一个中子结合成氘核，要放出2.22MeV的能量，这个能量以γ光子的形式辐射出去。核反应方程如下：可以从核力做功的角度，让学生更好的理解结合能。同时要强调，结合能对应一种变化的能量，是吸收或者释放的能量。问：结合能越大，原子核是不是越难被拆开？结合能大小能反应原子核的稳定程度吗？核子数目多，结合能自然要大一些，但是是不是每两个核子之间的结合更紧密呢？因此只有一个核子的结合能才能反映整个原子核的稳定程度，既比结合能。原子核的结合能与核子数之比，叫做比结合能。U-235Li-6虽然U-235比Li-6结合能大，但是却没有Li-6稳定，因为它的比结合能小。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．中等大小的核的比结合能最大，最稳定．（5）质量亏损原子核的结合能很难直接测量。幸好，爱因斯坦已经给我们指出了物体的能量与它的质量的关系，既E=mc2。单个的质子、中子的质量已经精确测定，用质谱仪或其他仪器测定某种原子核的质量，与同等数量的质子、中子的质量之和相比较，看一看两条途径得到的质量之差，就能推知原子核的结合能。通过一道例题，让学生清晰原子核结合能以及比结合能的运算。注意题目当中能量单位的换算。原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫作质量亏损（massdefect）。质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。问题：1、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？2、质量亏损是不是这部分质量消失了或转变为能量了呢？3、爱因斯坦质能方程中说明质量和能量可以相互转化吗？通过这几个问题，让学生清晰能量和质量之间的关系，他们之间仅仅是对应关系，质量没有转化为能量，能量也没有转化为质量。同时，如果把能量对应的动质量也计算出来，那整个质量也是守恒的。不同原子核的比结合能是不一样的，下图是按照实际测量结果画的图线。可以看出，中等大小的核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。为后续的裂变和聚变的学习埋下伏笔。（5）课堂小结【习题练习】1、辨析题（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β衰变的原因．()（4）．原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量．()（5）．比结合能越大，原子核越稳定．()（6）．质能方程E＝mc2表明了质量与能量间的一种对应关系．()参考答案：×，×，√，×，√，×2、(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答案：AD3、下列说法中，正确的是()A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所蕴藏的能量的量度C．核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变为能量D．因为在核反应中产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒答案：B课后篇素养形成必备知识基础练1.(多选)下列说法正确的是()A.除

1B.与较轻或较重的核相比,中等大小的核更稳定C.比结合能大小反映核的稳定程度D.比结合能越小的原子核越稳定答案ABC解析除

11H外的原子核均有两个或两个以上的核子,故都有结合能,故A正确;比结合能的大小反映了原子核的稳定性,中等大小核的比结合能大于较重或较轻核的比结合能,所以中等大小核的稳定性最好,故B、C正确2.(多选)一个质子和一个中子结合成氘核,同时放出γ光子,核反应方程是

11H+01n→A.反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和B.反应前后的质量数不变,因而质量不变C.反应前后质量数不变,但会出现质量亏损D.γ光子的能量为Δmc2,Δm为反应中的质量亏损,c为光在真空中的速度答案ACD解析核反应中质量数与电荷数及能量均守恒,由于反应中要释放核能,会出现质量亏损,反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和,所以质量不守恒,但质量数不变,且能量守恒,释放的能量会以光子的形式向外释放,故正确选项为A、C、D。3.雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(υe)而获得了2002年诺贝尔物理学奖。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,其核反应方程式为υe+1737Cl→

1837Ar+-10e,已知

1737Cl核的质量为36.95658u,18A.0.82MeV B.0.31MeVC.1.33MeV D.0.51MeV答案A解析先计算出核反应过程中的质量增加:Δm=36.95691u+0.00055u-36.95658u=0.00088u,再由爱因斯坦的质能方程得所需要的能量:ΔE=Δmc2=0.00088u×931.5MeV=0.82MeV,故选项A是正确的。4.(多选)关于质能方程,下列哪些说法是正确的()A.质量减少,能量就会增加,在一定条件下质量转化为能量B.物体获得一定的能量,它的质量也相应地增加一定值C.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D.一定量的质量总是与一定量的能量相联系的答案BD解析质能方程E=mc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的,当物体获得一定的能量,即能量增加某一定值时,它的质量也相应增加一定值,并可根据ΔE=Δmc2进行计算,故B、D对。5.历史上第一次利用加速器实现的核反应,是用加速后动能为0.5MeV的质子

11H轰击静止的

ZAX,生成两个动能均为8.9MeV的

24He。(1MeV=1.(1)上述核反应方程为。

(2)质量亏损为。

答案(1)11H+37X→224He解析(1)根据电荷数守恒与质量数守恒则核反应方程为

11H+3(2)根据爱因斯坦质能方程Δm=ΔEc2=(8.9×2-关键能力提升练6.(山西晋中一模)原子核的比结合能随质量数的变化图像如图所示,根据该曲线对核能的认识正确的是()A.质量数越大,比结合能越大B.质量较小的轻核结合成质量较大的重核时要吸收能量;质量较大的重核分裂成质量较小的轻核时要放出能量C.质量较大的重核和质量较小的轻核比结合能都较小,但轻核的比结合能还有些起伏D.一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,衰变产物的质量之和一定大于原来重核的质量答案C解析根据质能方程可知,轻核的聚变和重核的裂变过程,都存在质量亏损,都向外界放出能量,故B错误;根据题干图像可知,当质量较小时,比结合能随着质量的增加而增大,但在

36Li处减小;当质量较大时,比结合能随着质量的增加而减小,故A错误、C正确;一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,该过程中要释放能量,根据质能方程可知衰变产物的质量之和一定小于原来重核的质量,故7.某核反应方程为

12H+13H→24He+X。已知

12H的质量为2.0136uA.X是质子,该反应释放能量B.X是中子,该反应释放能量C.X是质子,该反应吸收能量D.X是中子,该反应吸收能量答案B解析由题目所给核反应方程式,根据核反应过程质量数、电荷数守恒规律,可得

12H+13H→24He+01X,则X为中子,在该反应发生前反应物的总质量m1=2.0136u+3.0180u=5.0316u,反应后产物总质量m2=4.0026u+1.0087u=5.0118.静止的氡核

86222Rn放出α粒子后变成钋核

84218Po,α粒子动能为Eα。若衰变放出的能量全部变为反冲核和α粒子的动能,真空中的光速为c,则该反应中的质量亏损为A.2Eα109cC.111Eα109c答案C解析动能Ek=12mv2=p22m,衰变过程动量守恒,α粒子与新核动量大小相等,动能与质量成反比,α粒子和反冲核的总动能E=Eα+4218E由ΔE=Δmc2得Δm=111E9.三个α粒子结合成一个碳12,已知碳原子的质量为12.0000u,氦原子的质量为4.0026u