高中物理 第19章 第5节 核力与结合能课件 新人教版选修3-5.ppt

第十九章原子核 第5节核力与结合能 栏目链接 学习目标 1 知道核力的性质 能简单解析轻核与重核内中子数 质子数具有不同的比例的原因 2 会根据质量数和电荷数守恒写出核反应方程 3 认识原子核的结合能 质量亏损 1 核力 组成原子核的相邻核子之间存在着一种特殊的力 这种力叫作核力 2 核力特点 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 m之内 3 每个核子只跟相邻的核子发生核力作用 这种性质称为核力的饱和性 栏目链接 3 基本相互作用 自然界中最基本的四种相互作用是 引力相互作用 电磁相互作用 强相互作用和弱相互作用 注 引力相互作用和电磁相互作用是长程力 强相互作用和弱相互作用是短程力 尝试应用1 下列对核力的认识正确的是 D A 任何物体之间均存在核力B 核力广泛存在于自然界中的核子之间 栏目链接 C 核力只存在于质子之间D 核力只发生在相距1 5 m的核子之间 大于0 8 m为吸引力 而小于0 8 m为斥力解析 由核力的特点知道 只有相距1 5 m的核子之间才存在核力 核力发生在质子与质子 质子与中子之间 由此知D正确 A B C错误 栏目链接 自然界中较轻的原子核 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 原子核越重的两者相差越多 注 原子核越大 有些核子间的距离越来越远 核力与电磁力都会减小 核力减小得更快 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 这个原子就不稳定了 这时 不再成对地增加质子和中子 而只增加中子 中子与其他核子没有库仑斥力 但有相互吸引的核力 有助于维持原子核的稳定 2 关于原子核中质子和中子的说法 正确的是 D 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 如果继续增大原子核 形成的核也一定是不稳定的解析 较轻的原子核中质子数与中子数大致相等 但在重原子核内中子数多于质子数 A B错 有些原子核是不稳定的 如具有放射性的原子核 C错 由于核力是短程力及核力的饱和性 原子核增大到一定程度 即使能形成原子核 原子核也是不稳定的 综上所述 只有选项D正确 1 结合能 核子结合成原子核时放出的能量 或原子核分解成核子时吸收的能量 都叫作原子核的结合能 例如 用光子照射氘核 只有当光子的能量等于或大于2 2MeV时 才能使它分解为质子和中子 核反应方程为 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 2MeV 2 比结合能 原子核的结合能与其核子数之比 称为比结合能 不同原子核的比结合能随质量数变化图线如下图所示 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核的稳定程度 比结合能越大 原子核就越难拆开 表示该核就越稳定 2 核子数较少的轻核与核子数较多的重核 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 尝试应用3 多选 关于原子核的结合能 下列说法正确的是 ABC A 原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B 一重原子核变成 粒子和另一原子核 衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能C 铯原子核 的结合能小于铅原子核 的结合能D 比结合能越大 原子核越不稳定E 自由核子组成原子核时 其质量亏损所对应的能量小于该原子核的结合能 解析 本题考查原子核物理的结合能及其相关知识点 意在考查考生综合应用知识分析问题的能力 比结合能越大 原子核越稳定 选项D错误 自由核子组成原子核时 其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能 选项E错误 对于这类选择题 可应用学过的知识分析各个选项 迅速得出答案 1 质能方程 爱因斯坦的相对论指出 物体的能量和质量之间存在着密切的联系 其关系是E 或 E 这就是著名的爱因斯坦质能联系方程 简称质能方程 方程的含义是 物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系 物体的能量增大质量也增大 能量减小质量也减小 2 质量亏损 由于核力的本质还在研究之中 所以根据核力做功来求核能是不可能的 但物理学家却有办法求出核能 物理学家们研究了质子 中子和氘核之间的质量关系 发现氘核虽然是由一个中子和一个质子组成的 但氘核的质量要比中子和质子的质量之和要小一些 我们把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫作核的质量亏损 根据质量亏损可以计算核能 3 核能的计算方法 1 用国际单位制计算时 m的单位是 kg c的单位是 m s 根据 E 计算 E的单位是 J 当计算时 m的单位用 u 由 E m 931 5MeV计算 E的单位是 MeV 3 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 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 在题给条件中没有涉及质量亏损 或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下 从动量和能量守恒可以计算出核能的变化 注 1 质能方程E 的理解 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 一定质量的物质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 3 运用质能方程时应注意单位 一般情况下 公式中各量都应取国际单位 但在微观领域 用国际单位往往比较麻烦 习惯上常用 原子质量单位 和 电子伏特 作为质量和能量的单位 一原子质量单位的质量为1u 1u 1 6606 kg 由质能方程知 1u的质量所对应的能量E mc2 1 6606 3 0 J 1 494 J 931 5MeV 栏目链接 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 尝试应用4 为纪念爱因斯坦对物理学做出的巨大贡献 联合国将2005年定为 国际物理年 对于爱因斯坦提出的质能方程E 下列说法中不正确的是 D 2 质量亏损的理解 A E 表明物体具有的能量与其质量成正比B 根据 E 可以计算核反应中释放的核能C 一个中子和一个质子结合成氘核时 释放出核能 表明此过程中出现了质量亏损D E 中的E是发生核反应释放的核能解析 E 中的E表示物体具有的总能量 m表示物体的质量 故A说法正确 对于 E 表示的意义是当物体的能量增加或减少 E时 它的质量也会相应地增加或减少 m 故B说法正确 只有在出现质量亏损时 才能释放核能 故C说法正确 所以选D 多选 下列关于核力与结合能的说法中正确的是 A 将原子核拆散成核子所吸收的能量与核子结合成原子核所放出的能量相同B 核力与万有引力性质相同C 核力只存在于相邻的核子之间D 核子数越多 原子核越稳定 审题指导 1 根据爱因斯坦质能方程 分析将原子核拆散成核子所吸收的能量与核子结合成原子核所放出的能量关系 比结合能越大 原子核越稳定 2 核力与万有引力性质不同 核力只存在于相邻的核子之间 解析 将原子核拆散成核子与核子结合成原子核两个过程质量的变化相等 根据爱因斯坦质能方程得知 将原子核拆散成核子所吸收的能量与核子结合成原子核所放出的能量相同 故A正确 核力与万有引力性质不同 核力只存在于相邻之前 而万有引力存在于宇宙万物之间 故B错误 核力是短程力 作用范围在1 5 m 原子核的半径数量级在 所以核力只存在于相邻的核子之间 故C正确 核子数越多 原子核不一定越稳定 应是比结合能越大 原子核越稳定 故D错误 答案 AC 栏目链接 变式训练1 多选 下列说法正确的是 BC A 粒子散射实验的结果证明原子核是由质子和中子构成B 比结合能越大 原子核中核子结合得越牢固 原子核越稳定C 玻尔理论认为 氢原子核外电子轨道能量变化是不连续的 存在着能级D 核力是短程力 只存在质子和质子之间 解析 卢瑟福通过 粒子散射实验 发现原子核式结构 不能证明原子核是由质子和中子构成 故A错误 比结合能越大 原子核中核子结合得越牢固 原子核越稳定 故B正确 玻尔理论认为 氢原子核外电子轨道能量变化是不连续的 存在着能级 故C正确 核力是短程力 存在与质子和质子之间 中子与中子之间 质子与中子间 故D错误 多选 关于原子核的结合能 下列说法正确的是 A 原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B 自由核子组成原子核时 其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能C 铯原子核 的结合能小于铅原子核 的结合能D 比结合能越大 原子核越不稳定 审题指导 1 比结合能 原子核结合能对其中所有核子的平均值 亦即若把原子核全部拆成自由核子 平均对每个核子所要添加的能量 用于表示原子核结合松紧程度 2 结合能 两个或几个自由状态的粒子结合在一起时释放的能量 自由原子结合为分子时放出的能量叫做化学结合能 分散的核子组成原子核时放出的能量叫做原子核结合能 解析 原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量 A正确 自由核子组成原子核时 其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能 B错误 铯原子核不如铅原子核稳定 所以铯原子核 的结合能小于铅原子核 的结合能 C正确 比结合能越大 原子核越稳定 D错误 答案 AC点评 本题考查比结合能与原子核稳定性的关系 核反应中的质量亏损 栏目链接 变式训练2 多选 已知某核反应释放了能量 那么 CD A 核子的平均结合能增加 核子的总质量增大B 核子的平均结合能减少 核子的总质量减小C 核子的平均结合能增加 核子的总质量减小D 生成的新核比旧核更加稳定解析 核反应释放了能量 由爱因斯坦质能方程知核子的总质量减小 平均结合能的大小反映了原子核的稳定程度 结合能小的原子核在转变为结合能大的原子核的核反应中 才释放出能量 而且生成的新核核子间结合得更加稳定 故C D正确 一个静止的铀核 原子质量为232 0372u 放出一个 粒子 原子质量为4 0026u 后衰变成钍核 原子质量为228 0287u 已知 原子质量单位1u 1 67 kg 1u相当于931MeV 1 写出核衰变反应方程并算出该核衰变反应中释放出的核能 2 假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和 粒子的动能 则钍核获得的动能有多大 审题指导 1 根据电荷数守恒 质量数守恒写出核反应方程 2 根据动量守恒定律和爱因斯坦质能方程求出释放的核能 解析 1 根据质量数和电荷数守恒可得 根据质能方程 E m 931MeV代入数据可求得 释放出的核能为5 49MeV 变式训练3 下列关于核反应的说法正确的是 B A 爱因斯坦的质能方程说明了物体质量就是能量 它们之间可以相互转化B 由质能方程可知 能量与质量之间存在正比关系 可以用物体的质量作为它所含有的能量的量度C 核反应中发现的 质量亏损 是消失的质量转化成的D 因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 系统的总能量不守恒 解析 由质能方程可知 能量与质量之间存在着一定的必然对应的关系 而不能认为质量就是能量 能量就是质量 能量与质量是两个不同的概念 只有在核反应过程中 对应着质量的减少 才有能量释放出来 故A错误 由质能方程可知 能量与质量之间存在正比关系 可以用物体的质量作为它所含有的能量的量度 故B正确 核反应中出现的 质量亏损 不是指消失的质量转变成了能量 故C错误 核反应中 质量数守恒 能量也守恒 故D错误