2019年高中物理第十九章原子核第5节核力与结合能学案新人教版选修3 .doc

第5节核力与结合能1.知道核力的概念、特点和四种基本相互作用2.了解结合能和比结合能的概念3认识原子核的结合能及质量亏损，并能应用质能方程进行相关的计算一、核力与四种基本相互作用1核力：原子核内核子之间的相互作用力2核力的特点(1)核力是强相互作用的一种表现，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1.51015 m之内(3)核力的饱和性：每个核子只跟邻近的核子发生核力作用3四种基本相互作用二、原子核中质子与中子的比例和结合能1轻原子核和重原子核(1)较轻原子核：质子数和中子数大致相等(2)较重原子核：中子数大于质子数，越重的原子核两者相差越多2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的，要把它们分开，需要能量，这就是原子核的结合能(2)比结合能：原子核的结合能与核子数之比称为比结合能比结合能越大，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、最稳定三、质量亏损1爱因斯坦质能方程：Emc22质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象3亏损的质量与释放的能量间的关系：Emc2 判一判(1)核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大()(2)原子核内的质子是靠万有引力来抗衡库仑斥力的()(3)组成原子核的核子越多，它的结合能就越大()(4)结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定()(5)比结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大()提示：(1)(2)(3)(4)(5) 做一做下列关于核力的说法正确的是()A核力同万有引力没有区别，都是物体间的相互作用B核力就是电磁力C核力是短程力，作用范围在1.51015 m之内D核力与电荷有关提示：选C核力是短程力，超过1.51015 m，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 想一想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？提示：不对在核反应中质量数守恒即核子的个数不变，只是核子组成原子核时，仿佛变“轻”了一些，原子核的质量总是小于其全部核子质量之和，即发生了质量亏损对核力的理解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1015 m数量级时起作用，距离大于0.81015 m时为引力，距离小于0.81015 m时为斥力，距离超过1.51015 m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(多选)对于核力，以下说法正确的是()A核力是弱相互作用力，作用力很小B核力是强相互作用的表现，是强力C核子之间的距离小于0.81015 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起D人们对核力的了解很清楚，特别是在小于0.81015 m时核力的变化规律更清楚解析核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围在1.51015 m之内，核力比库仑力大得多，因此选项B正确，A错误；核力在大于0.81015 m时表现为吸引力，且随距离增大而减小；在距离小于0.81015 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起，所以选项C正确；人们对核力的了解还不是很清楚，这是科学家们奋力攻克的堡垒，故选项D错误答案BC(多选)关于原子核中质子和中子的比例，下列说法正确的是()A原子核中质子和中子的个数一定相等B稳定的重原子核里，中子数要比质子数多C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之间的库仑力，这个原子核就不稳定了D质子和中子可以组合成任意稳定的核解析：选BC因为库仑力是长程力，它作用于核内所有质子，而核力只作用于相邻的核子，随着核子间距离的增加，为使原子核保持稳定，必须靠中子数的增多来抵消库仑力的作用因此，随着核子间距离的增加，稳定核的中子数越来越大于质子数对结合能和比结合能的理解1结合能：要把原子核分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(多选)对结合能、比结合能的认识，下列正确的是()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？(2)结合能越大，原子核越稳定吗？解析由自由核子结合为原子核的过程中，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；核子越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正确答案AD(1)比结合能的大小反映了原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核越稳定(2)结合能EnE由核子数和比结合能共同决定(3)中等质量的原子核的比结合能较大，因而中等质量的原子核较稳定 下面关于结合能和比结合能的说法中，正确的有()A核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能B比结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大C重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和比结合能都大D中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大解析：选D核子结合成原子核时放出能量，原子核拆解成核子时吸收能量，A选项错；比结合能越大的原子核越稳定，但比结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的比结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能反而比重核小，B、C两项错；中等质量原子核的比结合能比轻核的大，它的原子核内核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，D选项对对质量亏损和质能方程的理解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原子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Emc2.2质能方程Emc2(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)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 命题视角1对爱因斯坦质能方程的理解下列说法中，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Emc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体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因为在核反应中能产生能量，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解析Emc2说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，但并不说明能量和质量之间存在相互转化的关系，故A错误，B正确；核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变成能量，故C错误；在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，在核反应前后只是物质由静质量变成动质量，故D错误答案B 命题视角2对于核能的计算H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求：(质量亏损1 u相当于释放931.5 MeV的能量)(1)一个质子和两个中子结合为氚核时，是吸收还是放出能量？该能量为多少？(2)氚核的结合能和比结合能各是多少？解析(1)一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程式是H2nH，反应前各核子总质量为mp2mn(1.007 27721.008 665)u3.024 607 u，反应后新核的质量为mH3.016 050 u，质量亏损为m(3.016 0503.024 607)u0.008 557 u.因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应放出能量释放的核能为E0.008 557931.5 MeV7.97 MeV.(2)氚核的结合能即为E7.97 MeV，它的比结合能为2.66 MeV.答案(1)放出能量，能量为7.97 MeV(2)7.97 MeV2.66 MeV核能的计算方法1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Emc2或Emc2计算核能2利用原子质量单位u和电子伏特间的关系计算(1)明确原子质量单位u和电子伏特间的关系：因为1 u1.660 61027 kg则Emc21.660 61027(2.997 9108)2 J1.492 41010 J.又1 eV1.602 21019 J则E1.492 41010 J931.5 MeV.(2)根据(1)原子质量单位(u)相当于931.5 MeV能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即Em931.5 MeV.3利用比结合能来计算核能原子核的结合能核子的比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【通关练习】1(多选)关于质能方程，下列说法中正确的是()A质量减小，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解析：选BD质能方程Emc2表明一定量的质量与一定量的能量是相互联系的，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Emc2进行计算，所以B、D正确2氘核和氚核反应时的核反应方程为HHHen已知H的比结合能是2.78 MeV，H的比结合能是1.09 MeV，He的比结合能是7.03 MeV，试计算核反应时释放的能量解析：反应前氘核和氚核的总结合能E1(1.0922.783)MeV10.52 MeV.反应后生成的氦核的结合能E27.034 MeV28.12 MeV.由于单个核子无结合能，所以反应过程释放出的能量EE2E1(28.1210.52)MeV17.6 MeV.答案：17.6 MeV