第五章原子核學習目標1.了解四種基本相互作用;結合學過的引力和電磁相互作用,理解核力,知道核力的特點,培養自學、關聯整合和知識遷移的能力.2.了解結合能和比結合能的概念,知道核反應中的質量虧損,理解能量與質量的關系,并能應用質量虧損和能量與質量的關系進行相關的計算,培養應用物理知識解決實際問題的能力.3

核力與結合能知識點一

核力與四種基本相互作用1.引力相互作用:引力是自然界的一種基本相互作用,地面物體所受的

只是引力在地球表面附近的一種表現.2.電磁相互作用(電磁力):電荷間、

間的相互作用.宏觀物體之間的壓力、

、彈力、支持力等等,都起源于這些電荷之間的電磁相互作用.3.強相互作用.(1)核力:原子核中的

之間存在一種很強的相互作用,即存在一種核力,它使得核子緊密地結合在一起,形成穩定的原子核.這種作用稱為強相互作用.(2)核力特點:核力是核子間的

相互作用的一種表現,在原子核的尺度內,核力比電磁力

;核力是

力,作用范圍只有約10-15m.重力磁體拉力核子強大得多短程4.弱相互作用:在某些

現象中起作用的相互作用.弱相互作用是引起原子核

衰變的原因,即引起中子—質子轉變的原因.弱相互作用也是

力,其力程比強相互作用更短,只有10-18m.5.核子結合成原子核或原子核分解為核子時,都伴隨著巨大的能量變化,其原因是什么?放射β短程答案:核子間存在著強大的核力.知識點二結合能1.結合能:原子核是

憑借核力結合在一起構成的,要把它們分開,也需要

,這就是原子核的結合能.這個能量也是核子結合成原子核而釋放的能量.2.比結合能:原子核的結合能與

之比,叫作比結合能,也叫作

結合能.比結合能越大,原子核中核子結合得越牢固,原子核越

.3.一較重的原子核衰變成α粒子和另一原子核,則衰變產物的結合能之和與原來較重的核的結合能哪一個大?答案:一較重的原子核衰變成α粒子和另一原子核,核子比結合能增大,質量數不變,則衰變產物的結合能之和一定大于原來較重的核的結合能.核子能量核子數平均穩定知識點三質量虧損1.物體的能量與它的質量的關系:E=

.2.質量虧損:原子核的質量

組成它的核子的質量之和的現象.3.不同原子核的比結合能是

的,中等大小的核的比結合能

(平均每個核子的質量虧損

),這些核最穩定.mc2小于不一樣最大最大

小試身手判斷下列說法的正誤并和同學交流(正確的打“√”,錯誤的打“×”).1.原子核中核子所受的萬有引力和電磁力可以達到平衡.()2.核力是強相互作用,在任何情況下都比庫侖力大.()3.弱相互作用是引起原子核β衰變的原因.()4.原子核的結合能就是核子結合成原子核時需要的能量.()5.比結合能越大,原子核越穩定.()6.E=mc2表明了質量與能量間的一種對應關系.()××√×√√探究一

核力問題情境

答案:核子之間還存在著另一種力,即核力.

答案:當核子增多時,原子核增大,核子間的距離也增大,而核力是短程力,當距離較大時,一些核子間可能就沒有核力的作用了,這樣形成的核不穩定,最終會瓦解.因此質子與中子不能隨意地組合形成無數不同的原子核.3.自然界中存在的元素是有限的.為什么質子與中子不能隨意地組合從而形成無數不同的原子核?過程建構1.對四種基本相互作用的理解.(1)引力相互作用:引力主要在宏觀和宏觀尺度上“獨領風騷”,引力使行星繞著恒星轉,并且聯系著星系團,決定著宇宙的現狀.萬有引力是長程力.(2)電磁相互作用:電磁力在原子核外,使電子不脫離原子核而形成原子,使原子結合成分子,使分子結合成液體和固體.(3)強相互作用:在原子核內,強相互作用將核子束縛在一起,強相互作用是短程力.(4)弱相互作用:弱相互作用是引起原子核β衰變的原因,即引起中子—質子轉變的原因;弱相互作用也是短程力,其力程比強相互作用更短,為10-18m.2.對核力的理解.(1)核力是四種相互作用中的強相互作用的一種表現.(2)核力是短程力,約在10-15m數量級時起作用,當距離為1.5×10-15m時核力幾乎消失.(3)核力具有飽和性.穩定的質量較大的原子核里,中子數要比質子數多.由于核力的作用范圍是有限的,核力具有飽和性,如果我們繼續增大原子核,一些核子間的距離會大到其間根本沒有核力的作用,這時即使再增加中子,形成的核也一定是不穩定的.所以,原子核大小也受到限制.核子只跟相鄰的核子產生較強的核力,而不是與核內所有核子發生作用.(4)核力與核子是否帶電無關,質子與質子間、質子與中子間、中子與中子間都可以有核力作用.【典例1】下列關于核力的說法正確的是 (

)A.核力同萬有引力沒有區別,都是物體間的相互作用B.核力就是電磁力C.核力是短程力D.核力與電荷有關解析:核力與萬有引力和電磁力不同,距離增大時,核力急劇減小,核力是短程力,選項A、B錯誤,選項C正確.核力與電荷無關,選項D錯誤.答案:C探究二結合能問題情境假設一個質子和一個中子在核力作用下靠近碰撞并結合成一個氘核.1.質子和中子結合成氘核的過程中是釋放能量還是吸收能量?使氘核分解為質子和中子的過程呢?答案:質子和中子結合成氘核的過程中要釋放能量;氘核分解成質子和中子時要吸收能量.2.右圖是不同原子核的比結合能隨質量數變化的曲線.從圖中看出,中等質量的原子核與重核、輕核相比,比結合能有什么特點?比結合能的大小反映了什么?答案:中等質量的原子核比結合能最大.比結合能的大小反映了原子核的穩定性,比結合能越大,原子核越穩定.3.比結合能較小的原子核轉化為比結合能較大的原子核時是吸收能量還是釋放能量?答案:釋放能量.過程建構1.對結合能和比結合能的理解.(1)結合能是核子結合成原子核時釋放的能量,也是將原子核的核子分開時需要的能量.(2)比結合能反映了原子核結合的穩定程度或分裂的難易程度.2.比結合能與原子核穩定程度的關系.(1)比結合能的大小能夠反映原子核的穩定程度,比結合能越大,原子核就越難分開,表示該原子核就越穩定.(2)核子數較小的輕核與核子數較大的重核,比結合能都比較小,表示原子核不太穩定;中等核子數的原子核,比結合能較大,表示原子核較穩定.(3)當比結合能較小的原子核轉化成比結合能較大的原子核時,就能釋放核能.例如,一個核子數較大的重核分裂成兩個核子數小一些的核,或者兩個核子數很小的輕核結合成一個核子數大一些的核,都能釋放出巨大的核能.【典例2】關于結合能和比結合能的說法正確的是(

)A.核子結合成原子核吸收的能量或原子核分解成核子放出的能量稱為結合能B.比結合能越大的原子核越穩定,因此它的結合能也一定越大C.重核與中等質量原子核相比較,重核的結合能和比結合能都大D.中等質量原子核的結合能和比結合能均比輕核的要大答案:

D解析:核子結合成原子核時放出能量,原子核分解成核子時吸收能量,選項A錯誤.比結合能越大的原子核越穩定,但比結合能越大的原子核,其結合能不一定大,例如,中等質量原子核的比結合能比重核的大,但由于核子數比重核的少,其結合能比重核的小,選項B、C錯誤.中等質量原子核的比結合能比輕核的大,它的原子核內核子數又比輕核的多,因此它的結合能也比輕核的大,選項D正確.探究三質量虧損和核能的計算問題情境兩個核子數很小的輕核氘、氚結合成一個核子數大一些的氦核,原子核轉變示意圖如下圖所示.1.在核反應過程中質量數、電荷數是否守恒?答案:在核反應中,質量數、電荷數守恒.2.在該核反應過程中會釋放出能量,反應前后原子核的質量是否發生變化?答案:發生變化,質量會減少.

答案:甲同學的說法錯誤,核反應過程中質量數守恒而不是質量守恒.(2)乙同學查找資料,得知各個原子核或核子的質量如下:mBe=9.01219u,mC=12.000u,mα=4.0026u,mn=1.008665u.其中1u=1.660566×10-27

kg.他通過計算發現反應之后的總質量減少了,于是他得出結論:核反應過程中質量消失了.乙同學的說法正確嗎?為什么?答案:乙同學的說法錯誤,質量虧損并不是質量消失.(3)通過乙同學查找的原子核或核子的質量,試判斷上述核反應過程中是釋放能量,還是吸收能量,并計算能量變化了多少.真空中的光速c=3×108m/s.答案:反應前的總質量m1=mBe+mα=9.01219u+4.0026u=13.01479u,反應后的總質量m2=mC+mn=12.000u+1.008665u=13.008665u,所以質量虧損Δm=m1-m2=13.01479u-13.008665u=0.006125u,放出的能量ΔE=Δmc2=0.006125u·c2=0.006125×1.660566×10-27×(3×108)2J=9.15×10-13J=5.719MeV.1.對質量虧損的理解.(1)核反應仍遵守質量守恒和能量守恒,所謂的質量虧損并不是這部分質量消失或質量轉變為能量.(2)物體的質量應包括靜止質量和運動質量.質量虧損是靜止質量的減少,減少的靜止質量在核子結合成核的過程中以能量的形式輻射出去了,轉化為和輻射能量相聯系的運動質量.(3)從質量虧損可知,質量是物體具有能量的多少及能量轉變多少的一種量度.2.對E=mc2的理解.(1)E=mc2說明一定的質量總是跟一定的能量相聯系.具體地說,一定質量的物體所具有的總能量是一定的,E=mc2不是單指物體的動能、核能或其他哪一種能量,而是物體所具有的各種能量的總和.過程建構(2)根據E=mc2,物體的總能量與其質量成正比.物體質量增加,總能量隨之增加;質量減少,總能量也隨之減少.這時E=mc2也寫成ΔE=Δmc2.3.核能的計算方法.(1)根據質量虧損計算.①根據ΔE=Δmc2計算.其中Δm的單位是千克,ΔE的單位是焦耳.②利用原子質量單位u和電子伏特計算.1u相當于931.5MeV的能量,ΔE=Δm×931.5MeV,其中Δm的單位為u,ΔE的單位為MeV.(2)利用平均結合能來計算.原子核的結合能=核子的平均結合能×核子數.(3)利用核反應前后結合能之差來計算.核反應中反應前系統內所有原子核的總結合能與反應后生成的所有新核的總結合能之差,就是該次核反應所釋放(或吸收)的核能.4.判斷核反應過程是釋放能量還是吸收能量的方法.(1)根據反應前后質量的變化情況進行判斷.若質量減少,即發生了質量虧損,則釋放能量;若質量增加,則吸收能量.(2)根據動能變化判斷.若不吸收光子而動能增加,則放出能量.

核能的兩種單位換算技巧(1)若以kg為質量虧損Δm的單位,則計算時應用公式ΔE=Δmc2,核能的單位為J.(2)若以原子質量單位“u”為質量虧損Δm的單位,則ΔE=Δm×931.5MeV,核能的單位為MeV.(3)兩種單位的換算:1MeV=1×106×1.6×10-19J=1.6×10-13J.課堂評價1.(多選)關于核力,下列說法正確的是

(

)A.核力是一種特殊的萬有引力B.原子核內只有質子和質子間有核力作用,中子和中子之間、質子和中子之間沒有核力作