高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第三册第3节 核力与核能课文课件ppt

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一、核力与核的稳定性思考 质子之间存在库仑力,质子与中子、中子与中子之间没有库仑力,那么是不是质子之间存在核力,质子与中子、中子与中子之间没有核力?提示:不是。核力是短程力,存在于相邻的核子之间,无论是质子之间、质子与中子之间还是中子之间,都存在核力。
1.核力:(1)定义:把原子核中的_____维系在一起的力叫作核力。(2)特点。①核力是__(A.强相互作用　B.弱相互作用)的一种表现,在原子核的限度内,核力比库仑力_______。②核力是__(A.长程力　B.短程力),作用范围在2×10-15 m左右。
2.原子核的稳定性:(1)核素:具有一定_______和_______的原子。(2)核素图:用横坐标表示质子数,纵坐标表示中子数,每一种_____用一小方块表示,所得到的图象叫作核素图。
(3)原子核的稳定性。①核素的稳定区:稳定核素几乎全落在一条曲线上,或紧靠曲线的两侧,这个区域称为_____________。②稳定核素的中子数和质子数的关系:随着核电荷数的增加,稳定核素的中子数越来越_____质子数。
二、四种基本相互作用1.长程力:_____________和_____________。2.短程力:___________和___________。3.四种相互作用由强到弱的排列:___________、_____________、___________、_____________。
三、结合能与平均结合能思考 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,核子的个数并没有变化。
1.原子核的结合能:核子在结合成原子核时所_____的能量。2.平均结合能:对某种原子核,平均每个核子的结合能称为平均结合能,它等于原子核的结合能与核子数之比。3.质量亏损与质能方程:(1)质量亏损:任何一个原子核的质量总小于组成它的所有核子质量之和,这一差值叫作质量亏损。(2)爱因斯坦质能方程:核子结合成原子核时将有能量放出,结合能的计算公式是ΔE=_____。
一　原子核的稳定性分析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10-15 m数量级时起作用,距离大于0.8×10-15 m时为引力,距离小于0.8×10-15 m时为斥力,距离为10×10-15 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:①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。
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,所以稳定的重原子核内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之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。
【思考•讨论】　为什么核电荷数越多的原子核越不稳定?提示:核电荷数越多的原子核中,有些核子之间的距离越来越大,随着距离增大,核力和质子间的斥力都减小,但核力减小得更快,当原子核大到一定程度时,核力会小于质子间的斥力,原子核就不稳定了。
【典例示范】　关于原子核中质子和中子的说法,正确的是(　　)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,核力具有饱和性,不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在
【解析】选D。由稳定核的质子数与中子数的关系图像可知,质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多,故A、B错误;原子核可以发生衰变,故C错误;由核力作用特点可知,核子数越多的原子核越不稳定,故D正确。
【素养训练】1.对原子核的组成,下列说法正确的是(　　)A.核力可使一些中子组成原子核B.核力可使非常多的质子组成原子核C.不存在只有质子的原子核D.质量较大的原子核内一定有中子
【解析】选D。由于原子核带正电,不存在只有中子的原子核,但核力也不能把非常多的质子聚集在一起组成原子核,原因是核力是短程力,质子之间还存在长程力——库仑力,A、B错误;自然界中存在只有一个质子的原子核,如 H,C错误;较大质量的原子核内只有存在一些中子,才能削弱库仑力,维系原子核的稳定,故D正确。
2.(多选)核子结合成原子核的下列说法中,正确的是(　　)A.原子核内的核子间均存在核力B.原子核内的质子间均存在核力和库仑力C.当n个核子靠近到核力作用的范围而结合为原子核时,其间势能一定减小D.质子数较多的原子核,其中的中子起到增加核力、维系原子核稳定的作用
【解析】选C、D。由于核力为短程力,只会发生在相邻核子之间,由此知A、B错误;当n个核子靠近到核力作用范围内,而距离大于0.8×10-15m时,核力表现为引力,在此过程中核力必做正功,其间势能必定减小,形成原子核后距离一般不小于0.8×10-15m,故C正确;质子数较多的原子核由于只有相邻的核子间才有核力,但各个质子间均有很强的库仑斥力,随着质子数的增加,其库仑力增加,对于稳定的原子核,必须存在较多的中子才能维系二者的平衡,故D正确。
【补偿训练】1.激光中子是由重原子核吸收光子后发射中子而产生的,光子的极限能量大约是10 MeV。假定中子从原子核上向外移开距离10-13 cm所受的力保持不变,则平均核力的数量级是(　　)A.10-3 N　　　B.10 NC.103 N　　D.无法计算【解析】选C。核力是一种很强的力,应存在于相邻的核子之间,由题意知:F·d=W=E,则F= =1.6×103 N,故选项C正确。
2. 的核由6个质子与6个中子组成,其中两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力,则三种力从大到小的排列顺序是(　　)A.核力、万有引力、库仑力B.万有引力、库仑力、核力C.库仑力、核力、万有引力D.核力、库仑力、万有引力
【解析】选D。核力是强相互作用力,是它将核子束缚在原子核内;库仑力如果大于核力,原子核内质子就不能存在于这么小的范围内;万有引力最弱,研究核子间相互作用时万有引力可以忽略;所以A、B、C错。
二　结合能的含义1.结合能和平均结合能:由于核力的存在,核子结合成原子核时要放出一定的能量,原子核分解成核子时,要吸收同样多的能量,核反应中放出或吸收的能量称为结合能。平均结合能:原子核的结合能与核子数之比。平均结合能越大,表示原子核结合得越牢固,原子核越稳定。
2.结合能与电离能:要使基态氢原子电离,也就是要从氢原子中把电子剥离,需要通过碰撞、施加电场、赋予光子等途径让它得到13.6 eV的能量,这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能,不过通常把它叫作氢原子的电离能,而结合能一词只用在原子核中。
3.平均结合能曲线:不同原子核的平均结合能随质量数变化图线如图所示。 从图中可看出,中等质量原子核的平均结合能最大,轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核要小。
4.平均结合能与原子核稳定的关系:(1)平均结合能的大小能够反映原子核的稳定程度,平均结合能越大,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,平均结合能都比较小,表示原子核不太稳定;中等核子数的原子核,平均结合能较大,表示原子核较稳定。(3)当平均结合能较小的原子核转化成平均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。
5.核反应伴随能量的变化:由于核子间存在着巨大的核力作用,所以原子核是一个坚固的集体。要把原子核拆散成核子,需要克服核力做巨大的功,需要巨大的能量。一个氘核被拆成一个中子和一个质子时,需要能量等于或大于2.2 MeV的γ光子照射。核反应方程为 。相反的过程,当一个中子和一个质子结合成一个氘核时会释放出2.2 MeV的能量,这个能量以γ光子的形式辐射出去,核反应方程为：
【思考•讨论】情境:如图所示,不同原子核的平均结合能随核子数变化的图线。 讨论:(1)平均结合能的大小与核子数的关系如何?提示:中等质量原子核的平均结合能最大,轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核的平均结合能要小。
(2)平均结合能越大的原子核,结合能越大吗?提示:结合能是原子核拆解成单个核子时吸收的能量,而平均结合能是原子核的结合能与其核子数之比。所以结合能大的原子核,平均结合能不一定大,结合能小的原子核,平均结合能不一定小,相对来说,平均结合能更有意义,它反映了原子核结合的稳定程度或分裂的难易程度。
【典例示范】(多选)核能具有高效、清洁等优点,利用核能是当今世界解决能源问题的一个重要方向。原子核的比结合能曲线如图所示,根据该曲线判断下列说法正确的是(　　)
A. 核的比结合能大于 核的比结合能,因此 核更稳定B.两个 核结合成 核时释放能量C. 核的结合能约为7 MeVD. 的比结合能大于 的比结合能
【解析】选B、D。 核的比结合能大于 核的比结合能,因此 核更稳定,故A错误 核的比结合能约为7 MeV， 核的比结合能约为1 MeV,则两个 核结合成 核时释放能量,故B正确,C错误;由题图可知 的比结合能大于 的比结合能,故D正确。
【素养训练】1.(多选)某种原子序数大于90的原子核不稳定,分裂成三个质量较小的新核和某种射线,关于该分解过程正确的是(　　)A.一定放出能量B.新核的比结合能更小C.放出的射线可能为X射线D.若放出的射线为β射线,则分解过程中存在弱相互作用
【解析】选A、D。分裂后的原子核的质量数比分裂前小,所以比结合能增大,一定放出能量,A正确,B错误;放出的射线只可能是α、β、γ中的某一种,不可能是X射线,C错误;β射线是中子转化为质子时产生的,而弱相互作用就是在中子转化为质子时起作用,故D正确。
2.(多选)钚的一种同位素 衰变时释放巨大能量,如图所示,其衰变方程为 ,并伴随γ光子辐射,则下列说法中正确的是(　　)A.核燃料总是利用平均结合能小的核B.核反应中γ光子的能量就是 的结合能C. 核比 核更稳定,说明 的结合能大D.由于衰变时释放巨大能量,所以 比 的平均结合能小
【解析】选A、D。根据平均结合能越大,越稳定,则核燃料总是利用平均结合能小的核,故A正确。结合能是把核子分开所需要的能量,而并非核反应中γ光子的能量,故B错误。 核比 核更稳定,说明 的平均结合能大,所以衰变时,会释放巨大能量,故C错误,D正确。故选A、D。
【补偿训练】1.下面关于结合能和比结合能的说法中,正确的是(　　)A.核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆散成核子时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.中等质量的原子核的结合能和比结合能均比轻核要大
【解析】选D。核子结合成原子核要放出能量,原子核拆散成核子时要吸收能量,故选项A错;比结合能越大的原子核越稳定,但比结合能大的原子核,其结合能不一定大。例如,中等质量的原子核的比结合能比重核大,但由于核子数比重核少,其结合能比重核反而小,故选项B、C错;中等质量的原子核的比结合能比轻核大,它的原子核内的核子数比轻核多,因此它的结合能也比轻核大,故选项D正确。
2.(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.一重原子核衰变成α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
【解析】选A、B、C。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;一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,要释放能量,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能,故B正确;铯原子核与铅原子核都是中等质量的原子核,铯原子核( )的比结合能比铅原子核( )的比结合能略大,而铅原子核中的核子数比铯( )原子核的核子数多一半,所以铯原子核( )的结合能一定小于铅原子核( )的结合能,故C正确;比结合能越大,原子核越稳定,D错误。故选A、B、C。
三　质能方程与核能的计算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=mc2。
2.质能方程E=mc2:爱因斯坦指出,物体的能量(E)和质量(m)之间存在着密切的关系,即E=mc2,式中c为真空中的光速。爱因斯坦质能方程表明:物体所具有的能量跟它的质量成正比。由于c2这个数值十分巨大,因而物体的能量是十分可观的。3.核能的计算方法:(1)根据核反应方程,计算核反应前与核反应后的质量亏损Δm。(2)根据爱因斯坦质能方程E=mc2或ΔE=Δmc2计算核能。(3)计算过程中Δm的单位是千克,ΔE的单位是焦耳。
4.质能方程的本质:(1)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;(2)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;
(3)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。
【思考•讨论】爱因斯坦质能方程中说明质量和能量可以相互转化吗?提示:不是。爱因斯坦质能方程说明了质量和能量这两个物理量间的对应关系,说明有质量就有能量,并不是说质量转化为能量。
【典例示范】镭核 发生衰变放出一个粒子变为氡核 。已知镭核质量为226.025 4 u,氡核质量为222.016 3 u,放出粒子质量为4.002 6 u。(1)写出核反应方程。(2)求镭核衰变放出的能量。
【解析】(1)核反应(衰变)方程为:(2)镭核衰变放出的能量为:ΔE=Δmc2=Δm×931.5 MeV=(226.025 4-4.002 6-222.016 3)×931.5 MeV≈6.05 MeV。答案:(1) (2)6.05 MeV
【规律方法】计算核能的三种方法1.根据质量亏损计算核能:根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算核能。其中若Δm的单位是千克,ΔE的单位是焦耳。若Δm用原子质量单位(u)表示,则ΔE=Δm×931.5 MeV。2.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,利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化。
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。
【素养训练】1.质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3。当一个质子和一个中子结合成氘核时,释放的能量是(c表示真空中的光速)(　　)A.(m1+m2-m3)c　　B.(m1-m2-m3)cC.(m1+m2-m3) c2D.(m1-m2-m3)c2【解析】选C。由题意可知,质量的变化量Δm=m1+m2-m3;根据质能方程ΔE=Δmc2计算释放的能量为E=(m1+m2-m3)c2。
2.(2020·厦门高二检测)一个锂核( )受到一个质子( )轰击变为2个α粒子( ),在此过程中释放出16.6 MeV的能量。(1 u相当于931.5 MeV)求: (1)写出该核反应的方程。(2)平均每个核子减少的质量。(保留两位有效数字)
【解析】(1) (2)Δm= 代入数据得:Δm=0.017 8 u 代入数据得: =0.002 2 u答案:(1) 　(2)0.002 2 u
【补偿训练】(2017·全国卷Ⅰ)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电,氘核聚变反应方程是 ,已知 的质量为2.013 6 u， 的质量为3.015 0 u， 的质量为1.008 7 u,1 u =931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为 (　　)A.3.7 MeV　　　　B.3.3 MeVC.2.7 MeV MeV
【解析】选B。氘核聚变反应的质量亏损Δm=2m氘-m氦-mn=0.003 5 u,则该反应释放的核能为ΔE=Δm×931 MeV=3.258 5 MeV≈3.3 MeV。
【拓展例题】考查内容:动量守恒、能量守恒在原子物理中的应用【典例】一个静止的铀核 (原子质量为232.037 2 u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核 (原子质量为228.028 7 u)。(已知:原子质量单位1 u=1.67×10-27 kg,1 u相当于931 MeV)(1)写出核衰变反应方程。(2)算出该核衰变反应中释放出的核能。(3)假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和α粒子的动能,则钍核获得的动能有多大?
【解析】(1） (2)质量亏损:Δm=mU-mTh-mHe=0.005 9 uΔE=Δmc2=0.005 9×931 MeV=5.49 MeV(3)系统动量守恒,钍核和α粒子的动量大小相等,即pTh+(-pα)=0所以钍核获得的动能为 ×ΔE=0.09 MeV
答案:(1) (2)5.49 MeV　(3)0.09 MeV
1.下列说法正确的是(　　)A.质子数与中子数相等的原子核最稳定B.若两个核子间的距离为1.2×10-15 m,则它们间的核力表现为引力C.两个核子间的核力一定为引力D.两个质子间的核力与库仑力一定是一对平衡力
【解析】选B。中等质量的原子核最稳定,但这些原子核内的质子数和中子数不一定相等,A错误;两个核子间的距离0.8×10-15 m