结合能 裂变 聚变.docx

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结合能裂变聚变

结合能裂变聚变

一、核力与四种基本相互作用

1．核力：

原子核里的核子间存在着相互作用的核力，核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核．

2．核力特点

（1）核力是核子间的强相互作用的一种表现，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1.5×1015m之内．

（3）每个核子只跟邻近的核子发生核力作用，这也称为核力的饱和性．

（4）核力与核子是否带电无关，质子与质子间、质子与中子间、中子与中子间都可以有核力作用．

3．四种基本相互作用

（1）长程力：

万有引力、电磁力，在相同距离上，电磁力要比万有引力强1035倍．

（2）短程力：

发生在原子核内的强相互作用和弱相互作用．弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，其力程比强力更短，为10－18m.

二、原子核中质子与中子的比例

1．较轻原子核：

质子数与中子数大致相等．

2．较重原子核：

中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多．

注意：

对核力及原子核中质子与中子的比例的理解

（1）核力的特点：

核力是只在邻近的核子之间发生的一种强相互作用，是短程力．

（2）核子比例关系：

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，越重的元素，两者相差越多．

（3）形成原因

a．若质子与中子成对地构建原子核，由于核力是短程力．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．

b．若只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，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．

c．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．

三、结合能与质量亏损

1．结合能：

克服核力束缚，使原子核分解为单个核子时需要的能量；或若干个核子在核力作用下结合成原子核时放出的能量．

2．比结合能：

原子核的结合能与核子数之比，也叫平均结合能，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．

注意：

结合能与比结合能的理解

a．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．

b．当比结合能较小的原子核转化为比结合能较大的原子核时会释放核能．

c．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，中等核子数的原子核，比结合能较大，原子核较稳定．

3．质量亏损

（1）爱因斯坦质能方程：

E＝mc2．

（2）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：

ΔE＝Δmc2．

a．对质能方程和质量亏损的理解

（1）质能方程

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＝mc2.

（2）质量亏损

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．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.

b．核能的计算方法

（1）根据质量亏损计算

①根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损Δm.

②根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能．

其中Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳．

（2）利用原子质量单位u和电子伏特计算

根据1原子质量单位（u）相当于931.5MeV的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5MeV.其中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV.

四、核裂变

1．核裂变：

重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程．

2．铀核裂变：

用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是U＋n―→Ba＋Kr＋3n．

3．链式反应：

当一个中子引起一个铀核裂变后，裂变释放的中子再引起其他铀核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应．

4．链式反应的条件：

（1）发生裂变物质的体积大于等于临界体积；

（2）有足够浓度的铀235；

（3）有足够数量的慢中子．

核裂变和链式反应的理解

1．核子受激发：

当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状．

2．核子分裂：

核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，形成链式反应．

3．能量：

铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一般来说，平均每个核子放出的能量约为1MeV，1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t优质煤燃烧时释放的能量，裂变时能产生几万度的高温．

4．用中子轰击铀核时，铀核裂变的产物是多种多样的，其中两种典型的反应是：

U＋n―→Ba＋Kr＋3n；

U＋n―→Xe＋Sr＋10n

五、核电站

1．核电站：

是利用核能发电，它的核心设施是核反应堆．它主要由以下几部分组成：

（1）燃料：

铀棒

（2）减速剂：

铀235容易捕获慢中子发生反应，可采用石墨、重水、普通水作减速剂．

（3）控制棒：

为控制能量释放的速度，需控制中子的数目，采用镉棒作为控制棒来控制链式反应的速度．

2．工作原理：

核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高．

3．能量输出：

利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．

4．核污染的处理：

在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下或海底．

六、核聚变

1．定义：

两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的核反应．

2．举例：

H＋H―→He＋n＋17.6MeV

3．条件：

（1）轻核的距离要达到10－15__m以内．

（2）需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．

4．氢弹原理：

首先由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸．

5．热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆．

核聚变的理解

1．聚变发生的条件：

要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．

2．轻核聚变是放能反应：

从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．

3．重核裂变与轻核聚变的区别

重核裂变

轻核聚变

放能原理

重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能

两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能

放能多少

聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3～4倍

核废料处理难度

聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多

七、粒子和宇宙

1．“基本粒子”不基本

直到19世纪末，人们称光子、电子、质子和中子是基本粒子．

2．发现新粒子

1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等．

3．夸克模型

上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷量分别为元电荷的＋或－，每种夸克都有对应的反夸克．

【例1】对核力的认识，下列说法正确的是（　　）

A．任何核子之间均存在核力

B．每个核子只跟邻近的核子发生核力作用

C．核力只存在于质子之间

D．核力只发生在相距1.5×10－15m的核子之间，大于0.8×10－15m为吸引力，而小于0.8×10－15m为斥力

【解析】　由核力的特点知道，只有相距1.5×10－15m的核子之间存在核力，核力发生在核子之间．

【答案】　BD

【练习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．自然界中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】　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正确；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.

【答案】　CD

【例2】下列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．对于较重的原子核，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

答案　D

解析　自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多．因此正确答案选D.

【练习2】在自然界中，对于较重的原子核的中子数和质子数的比例关系，下列说法正确的是（　　）

A．中子数等于质子数B．中子数小于质子数

C．中子数大于质子数D．无法确定

答案　C

解析　原子核越重，原子间库仑斥力就越大，而中子数多于质子数，因中子与其他核子间没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以才有助于维系原子核的稳定，故稳定的重原子核里，中子数要比质子数多．故正确答案为C.

【例3】下列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

答案　D

解析　核子结合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，A选项错误；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，其结合能比重核反而小，B、C选项错误；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选项正确．

【练习3】下列关于结合能和比结合能的说法中，正确的有（　　）

A．核子结合成原子核时放出能量

B．原子核拆解成核子时要吸收能量

C．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

D．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

【解析】　核子结合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，A、B正确；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，其结合能比重核反而小，C、D选项错误．

【答案】　AB

【例4】某核反应方程为H＋H→He＋X.已知H的质量为2.0136u，H的质量为3.0180u，He的质量为4.0026u，X的质量为1.0087u．则下列说法中正确的是（　　）

A．X是质子，该反应释放能量

B．X是中子，该反应释放能量

C．X是质子，该反应吸收能量

D．X是中子，该反应吸收能量

答案　B

解析　由题目所给核反应方程式，根据核反应过程质量数、电荷数守恒规律，可得H＋H→He＋X，X为中子，在该反应发生前反应物的总质量m1＝2.0136u＋3.0180u＝5.0316u，反应后产物总质量m2＝4.0026u＋1.0087u＝5.0113u．总质量减少，出现了质量亏损．根据爱因斯坦的质能