高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册3 核力与结合能背景图课件ppt

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1.了解四种基本相互作用,知道核力的性质。(物理观念)2.知道原子核的结合能和比结合能的概念。(物理观念)3.知道什么是质量亏损,能应用爱因斯坦质能方程进行计算。(科学思维)
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一、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是短程力,作用范围只有约　　　　。 
每个核子只跟相邻的核子发生作用
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,称为弱相互作用。(2)是短程力,作用范围只有　　　　　。 
引起原子核β衰变的原因
3.四种基本相互作用
二、结合能与质量亏损1.结合能原子核是核子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,叫作比结合能,也叫作　　　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　　　。 
核子分开吸收的能量,核子结合放出的能量
3.质能方程物体的能量与它的质量的关系是E=　　　。 4.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。
只有在核反应中才发生
(1)质子都带正电,质子与质子之间存在着库仑斥力,为什么 还能稳定地存在?
提示 核子之间还存在着核力作用。
(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不同的原子核?
提示 当核子增多时,原子核增大,核子间的距离也增大,当距离较大时,一些核子间可能就没有核力的作用了,这样形成的核不稳定,最终会瓦解。因此质子与中子不能随意地组合形成无数不同的原子核。
教材拓展阅读教材P116思考与讨论,思考原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量,这种说法对吗?
提示 不对,原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开需要能量,叫结合能;核子结合成原子核时放出能量。
易错辨析(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。(　　)
提示核力既是强相互作用,又是短程力,只在10-15 m范围内产生作用,超过这个距离就减为零,而库仑力不为零。
提示原子核内的质子是靠核力来抗衡库仑力组成核的。
提示比结合能越大,表明原子核分解为自由核子时平均每个核子所需外界提供的能量越多,原子核越稳定。
(5)自由核子结合为原子核时,可能吸收能量。(　　)(6)质能方程E=mc2表明了质量与能量之间的一种对应关系。(　　)
提示自由核子结合为原子核时,发生质量亏损,释放能量。
探究点一　核力与四种基本相互作用
如图是稳定核的质子数与中子数的关系。实线为中子数与质子数相等的情况,而实际上稳定的原子核质子数与中子数关系是另一条线。(其中Z表示质子数,N表示中子数)试探究:(1)原子核较轻时与较重时有什么区别?
稳定核的质子数与中子数的关系
要点提示 原子核较轻时中子数与质子数大致相等,而较重时中子数明显多于质子数。
(2)为什么会出现这种现象?
要点提示 核力是短程力,且有饱和性,较重的原子核中子数比质子数多,能维持稳定。太大的原子核也不稳定,在宇宙演化过程中只有200多种稳定的原子核保留了下来。
1.四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用(1)引力相互作用:引力主要在宏观和宏观尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕着恒星转,并且联系着星系团,决定着宇宙的现状。万有引力是长程力。(2)电磁相互作用:电磁力在原子核外,电磁力使电子不脱离原子核而形成原子,使原子结合成分子,使分子结合成液体和固体。(3)强相互作用:在原子核内,强相互作用将核子束缚在一起,是短程力。(4)弱相互作用:弱相互作用是引起原子核β衰变的原因,即引起中子—质子转变的原因。弱相互作用也是短程力,其力程比强相互作用更短,作用强度则比电磁力小。
2.核力的性质(1)核力是四种相互作用中的强相互作用的一种表现。(2)核力是短程力。约在10-15 m的范围内起作用,距离大于10-15 m时为引力,距离小于10-15 m时为斥力。(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。核力与核子带不带电、带正电还是带负电无关。
3.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,其中子数大于质子数,越重的原子核,两者相差越多。(2)形成原因:①若质子与中子成对地构成原子核,随着原子核的增大,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。
②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,因此稳定的重原子核中子数要比质子数多。③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。
【例1】 (多选)下列说法正确的是(　 　)A.核力是短程力,作用范围很小,只在邻近核子间发生B.核力可能是引力,也可能是斥力。核力把核子紧紧束缚在核内,形成稳定的原子核,但又不会融合在一起C.质子间、中子间、质子和中子之间都可能有核力D.核力是一种弱相互作用力,在其作用范围内,核力比库仑力大得多
解析 核力作用的范围在10-15 m区域内,只在邻近核子间发生,是短程力,A正确;核力可能表现为引力,也可能表现为斥力,B正确;核力是核子之间的强相互作用力,C正确;核力是一种强相互作用力,D错误。
方法技巧　(1)核力的存在与核子是否带电及电性无关。(2)原子核的稳定性与核力和库仑力的大小有关。
1.(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10-15 m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起D.核力的作用范围很大,是长程力
解析 核力是强相互作用的一种表现,它的作用范围在1.5×10-15 m之内,故选项B正确,A错误;核力在大于0.8×10-15 m时表现为吸引力,且随距离增大而减小,在距离小于0.8×10-15 m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起,故选项C正确;核力是短程力,故选项D错误。
设有一个质子和一个中子在核力作用下靠近碰撞并结合成一个氘核。质子和中子结合成氘核的过程中是释放能量还是吸收能量?使氘核分解为质子和中子的过程中呢?
要点提示 质子和中子结合成原子核的过程中要释放能量;氘核分解成质子和中子时要吸收能量。
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。
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。
×106 eV×106 ×105 eV×106 eV
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(　　)
探究点三　质量亏损与核能的计算
如图是两个核子数很小的轻核氘、氚结合成一个核子数大一些的氦核的原子核转变示意图。
(1)在核反应过程中质量数、电荷数是否守恒?(2)在该核反应过程中会释放出能量,反应前后原子核的质量是否会发生变化?
要点提示 (1)在核反应过程中,质量数、电荷数都是守恒的。(2)会发生变化,质量会减少。
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。
【例3】 静止的原子核X,自发发生反应X→Y+Z,分裂成运动的新核Y和Z,同时产生一对彼此向相反方向运动的光子,这对光子的能量均为E。已知X、Y、Z的质量分别为m1、m2、m3,真空中的光速为c,求:(1)反应放出的核能ΔE;(2)新核Z的动能EkZ。
解析 (1)根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2反应放出的核能ΔE=(m1-m2-m3)c2。
(2)根据能量守恒定律新核Y、Z的总动能为Ek=(m1-m2-m3)c2-2E由动量守恒可知m2v2+m3v3=0
3.(多选)(2023河北秦皇岛高二期末)中子活化是指将样品用中子照射后,样品中的原子经中子俘获而变得具有放射性的过程。俘获中子后的原子核
X的质量分别为1.008 7 u、23.985 0 u、23.991 0 u、1.007 8 u,1 u相当于931.5 MeV的能量,下列说法正确的是(　　)
C.生成物的质量减少0.005 1 uD.反应将吸收能量约4.75 MeV
应前后生成物质量变化为Δm=23.991 0 u+1.007 8 u-1.008 7 u-23.985 0 u =0.005 1 u,说明生成物的质量增加0.005 1 u,故C错误;生成物的质量增加,所以吸收的能量为E=Δm×931.5 MeV=4.750 65 MeV,故D正确。
1.(核力与核能)下列关于核力与核能的说法正确的是(　　)A.核力是强相互作用的一种表现,任意两个核子之间都存在核力作用B.原子核的比结合能越大,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定C.核力是引起原子核β衰变的原因D.原子核中所有核子单独存在时的质量总和等于该原子核的总质量
解析 核力是强相互作用的一种表现,但是力的作用范围很小,只对相邻的核子有作用,A错误;原子核的稳定程度由比结合能决定,比结合能越大,越稳定,B正确;引起原子核β衰变的原因是弱相互作用,而核力是强相互作用,C错误;原子核中所有核子单独存在时的质量总和大于该原子核的总质量,因为自由核子形成原子核时要释放能量,根据质能方程,质量要发生亏损,D错误。
2.(结合能和质能方程)(2023河南安阳高二月考)卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子的同时,发现氮原子核变成了氧原子核,产生了氧的一种同位
3.(质量亏损)(多选)原子核的核子平均质量与原子序数Z的关系图像如图所示。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
解析 由题图可知,F原子核的核子的平均质量小,则原子序数较小的核D、E结合成原子序数较大的核F时,因F的核子的平均质量小于D、E核子的平均质量,故出现质量亏损,由质能方程知,该过程一定要放出核能,所以选项A正确,B错误;因为B、C的核子的平均质量小于A核子的平均质量,故A分裂成B、C的过程一定要释放能量,所以选项C正确,D错误。