学年高中物理第四章原子核44核力与结合能教学案粤教版选修35.docx

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学年高中物理第四章原子核44核力与结合能教学案粤教版选修35

第四节　核力与结合能

[目标定位]　1.知道核力及其性质.2.知道重核与轻核中中子数与质子数的数量多少关系.3.掌握结合能和平均结合能的概念.4.知道质量亏损，理解爱因斯坦质能方程，并能进行有关核能的计算．

一、核力及其性质

1．组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起，这种力称为核力．

2．核力是一种很强的力，在它的作用范围内核力比库仑力大的多．

3．核力是一种短程力．在约0.5×10－15～2×10－15m的距离内主要表现为引力；大于2×10－15m的距离时核力就迅速减小为零；在小于0.5×10－15m的距离内，核力又转变为强大的斥力而使核子不融合在一起．

二、重核与轻核

原子核中的质子数又称为原子序数，排在周期表比较靠后的元素对应的原子核叫做重核，排在比较靠前的叫做轻核．一般排在周期表最前面的轻核的质子和中子数相等，但是大多数重核是中子多于质子．

三、结合能

1．结合能：

根据能量守恒，核子结合成原子核时也会放出一定的能量，这个能量叫做原子核的结合能．

2．用高能量的γ光子照射氘核，可以使它分解为质子和中子，核反应方程是γ＋

H→

H＋

n.

γ光子的能量大于或等于2.22MeV.

相反的过程，一个中子和一个质子结合成氘核会释放出2.22MeV的能量．这个能量以γ光子的形式辐射出去．核反应方程是

n＋

H→

H＋γ.

3．平均结合能：

原子核的结合能与核子数之比称为该原子核的平均结合能．它反映了一个原子核结合的紧密程度，平均结合能越大，表示原子核结合得越稳定．

4．爱因斯坦质能方程：

E＝mc2或ΔE＝Δmc2

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？

答案　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．

预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中

问题1

问题2

问题3

一、对核力的理解

核力是原子核内核子与核子之间的相互作用，它发生在质子与质子之间、质子与中子之间、中子与中子之间，是一种超短程力，且是一种强相互作用，在作用的范围内，核力远大于库仑力．

【例1】　（多选）对于核力，以下说法正确的是（　　）

A．核力是弱相互作用，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0.5×10－15m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0.5×10－15m时核力的变化规律更清楚

答案　BC

解析　核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围在2×10－15m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0.5×10－15m且小于

2×10－15m时表现为吸引力，且随距离的增大而减小；在距离小于0.5×10－15m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，这正是科学家们奋力攻克的堡垒，故选项D不正确．

针对训练1　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，都是物体间的作用

B．核力就是电磁力

C．核力是短程力，作用范围在2×10－15m之内

D．核力与电荷有关

答案　C

解析　核力是短程力，超过2×10－15m，核力急剧下降几乎消失，故C正确；核力与万有引力、电磁力不同，故A、B错；核力与电荷无关，故D错．

二、结合能与平均结合能的理解

1．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1所示．

图1

从图中可看出，中等质量原子核的平均结合能大，轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核要小．

2．当平均结合能较小的原子核转化为平均结合能较大的原子核时会释放核能．

3．平均结合能又叫平均结合能，反映了原子核的稳定程度．平均结合能越大，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，平均结合能较大，原子核较稳定．

【例2】　下列关于结合能和平均结合能的说法中，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．平均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，重核的结合能和平均结合能都大

D．中等质量原子核的结合能和平均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；平均结合能越大的原子核越稳定，但平均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平均结合能比重核大，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；中等质量原子核的平均结合能比轻核的大，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．

借题发挥　结合能、平均结合能的对比理解

（1）核子结合成原子核时一定释放能量，原子核分解成核子时一定吸收能量．吸收或释放的能量越大，表明原子核的结合能越大．

（2）平均结合能为结合能与核子数的比值，平均结合能越大表明原子核越稳定．一般情况下，中等质量的原子核比轻核和重核的平均结合能大．

针对训练2　一个中子与某原子核发生核反应，生成一个氘核，其核反应方程式为____________________________．该反应放出的能量为Q，则氘核的平均结合能为________．

答案　

n＋

H―→

H　

解析　方程式：

n＋

H―→

H

核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫原子核的结合能．它的结合能与核子数之比，称作平均结合能，由题意知氘核的核子数为2，

所以平均结合能为

.

三、质量亏损和核能的计算

1．对质能方程和质量亏损的理解

（1）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.

2．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.

【例3】　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方程可知该反应释放能量，故B正确．

借题发挥　在核反应中，是释放能量还是吸收能量，需要确定反应前、后质量的变化．若反应后质量减少即发生了质量亏损，则释放出能量，反之吸收能量．由于不明确质量亏损的含义与能量的关系，易误选D.注意此反应过程质量发生亏损，释放出能量．

【例4】　已知氮核质量mN＝14.00753u，氧17核的质量mO＝17.00454u，氦核质量mHe＝4.00387u，氢核质量mH＝1.00815u，试判断：

N＋

He―→

O＋

H这一核反应是吸收能量还是放出能量？

能量变化是多少？

答案　吸收能量　1.2MeV

解析　反应前总质量：

mN＋mHe＝18.01140u，反应后总质量：

mO＋mH＝18.01269u．可以看出：

反应后总质量增加，故该反应是吸收能量的反应．吸收的能量利用ΔE＝Δmc2来计算，若反应过程中质量增加1u，就会吸收931.5MeV的能量，故ΔE＝（18.01269－18.01140）×931.5MeV≈1.2MeV.

针对训练3　在某些恒星内，3个α粒子结合成1个

C核，

C原子的质量是12.0000u，

He原子的质量是4.0026u．已知1u＝1.66×10－27kg，则下列选项错误的是（　　）

A．反应过程中的质量亏损是0.0078u

B．反应过程中的质量亏损是1.29×10－29kg

C．反应过程中释放的能量是7.27MeV

D．反应过程中释放的能量是1.16×10－19J

答案　D

解析　由题意可得核反应方程为3

He→

C＋ΔE，则核反应中的质量亏损为Δm＝（3×4.0026－12.0000）u＝0.0078×1.66×10－27kg≈1.29×10－29kg，由质能方程得ΔE＝Δmc2≈1.29×10－29×（3×108）2J＝1.161×10－12J＝7.27MeV，故A、B、C正确，D错.

对核力和结合能的理解

1．下列对核力的认识正确的是（　　）

A．任何物体之间均存在核力

B．核力广泛存在于自然界中的核子之间

C．核力只存在于质子之间

D．核力只发生在相距2×10－15m的核子之间，大于0.5×10－15m为吸引力，而小于0.5×10－15m为斥力

答案　D

解析　由核力的特点知道，只有相距2×10－15m的核子之间才存在核力，核力发生在质子与质子、质子与中子、中子与中子之间，由此知D选项正确．

2．关于原子核的结合能与平均结合能，下列说法中不正确的是（　　）

A．原子核的结合能等于核子与核子之间结合成原子核时，核力做的功

B．原子核的结合能等于核子从原子核中分离，外力克服核力做的功

C．平均结合能是核子与核子结合成原子核时平均每个核子放出的能量

D．不同原子核的平均结合能不同，重核的平均结合能比轻核的平均结合能大

答案　D

解析　原子核中，核子与核子之间存在核力，要将核子从原子核中分离，需要外力克服核力做功．当自由核子结合成原子核时，核力将做正功，释放能量．对某种原子核，平均每个核子的结合能称为平均结合能也称为平均结合能．不同原子核的平均结合能不同．重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能要小，轻核的平均结合能比稍重的核的平均结合能要小．

质量亏损和核能的计算

3．为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”．对于爱因斯坦提出的质能方程E＝mc2，下列说法中不正确的是（　　）

A．E＝mc2表明物体具有的能量与其质量成正比

B．根据ΔE＝Δmc2可以计算核反应中释放的核能

C．一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损

D．E＝mc2中的E是发生核反应中释放的核能

答案　D

解析　爱因斯坦质能方程E＝mc2，定量地指出了物体能量和质量之间的关系，A正确；由质能方程知，当物体的质量减少时，物体的能量降低，向外释放了能量；反之，若物体的质量增加了，则物体的能量升高，表明它从外界吸收了能量，所以由物体的质量变化能算出物体的能量变化，故B、C正确，D错误．

4．质子、中子和氘核的