核力與結(jié)合能

1、19. 5 核力與結(jié)合能教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能1知道核力的概念、特點(diǎn)及自然界存在的四種基本相互作用；2知道穩(wěn)定原子核中質(zhì)子與中子的比例隨著原子序數(shù)的增大而減??；3理解結(jié)合能的概念，知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損；4知道愛因斯坦的質(zhì)能方程，理解質(zhì)量與能量的關(guān)系。過程與方法1.通過核力的發(fā)現(xiàn)過程，了解“猜想”在科學(xué)探究過程中的重要作用；2.通過對(duì)穩(wěn)定核的質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)分析問題的能力。情感、態(tài)度與價(jià)值觀1使學(xué)生樹立起實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)理論對(duì)實(shí)踐有著指導(dǎo)和預(yù)見作用的能力；2認(rèn)識(shí)開發(fā)和利用核能對(duì)解決人類能源危機(jī)的重要意義。教學(xué)重點(diǎn)結(jié)合能和比結(jié)合能的物理意義教學(xué)過程：一、核力與四種基本相互作用20

2、世紀(jì)初，人們知道自然界存在萬有引力和電磁力這兩種基本相互作用，你能算出相同的距離上，兩質(zhì)子間的電磁力是萬有引力的多少倍？答：質(zhì)子間的電磁力是萬有引力的1035倍是什么作用使質(zhì)子在原子核內(nèi)共存？這種作用力有哪些特點(diǎn)？人們對(duì)這種相互作用的認(rèn)識(shí)還有哪些有待完善？答：是核力；特點(diǎn)：1）核力是強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）的一種表現(xiàn)。在原子的尺度范圍內(nèi)，核力比庫(kù)侖力大得多；2）核力是短程力，作用范圍在1.5×10-15m之內(nèi)。核力大于0.8×10-15m時(shí)表現(xiàn)為吸引力，且隨距離的增大而減小，超過1.5×10-15m核力急劇下降幾乎消失；而在0.8×10-15m時(shí)，核力表現(xiàn)為斥

3、力，因此核子不會(huì)融合在一起；3）每個(gè)核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用，這種性質(zhì)稱為核力的飽和性；小于0.8×10-15m時(shí)核力的變化規(guī)律還不清楚。第四種基本相互作用就是弱相互作用，它有何作用？有何特點(diǎn)？答：弱相互作用是引起原子核發(fā)生衰變的原因,即引起中子質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強(qiáng)力更短，為10-8m，作用強(qiáng)度比電磁力弱。典例探究例1（A級(jí)）.從以下幾個(gè)方面比較核反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)的相同和不同之處（1）它們分別涉及四種基本相互作用的哪一種？（2）每種反應(yīng)分別改變了或重新安排了什么？二、原子核中質(zhì)子和中子的比例穩(wěn)定的輕核（原子序數(shù)小于20）的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有何特點(diǎn)？你能分

4、析其中的原因嗎？答：輕核（原子序數(shù)小于20）的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)大致相等；對(duì)輕核而言，核子數(shù)量相對(duì)較小，核子間距處于核力作用范圍之內(nèi)，由于核力遠(yuǎn)大于電磁力，即使質(zhì)子和中子成對(duì)出現(xiàn)，強(qiáng)大的核力也可以將核子緊緊地束縛在原子核的范圍之內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核。穩(wěn)定的重核（原子序數(shù)大于20）的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有何特點(diǎn)？你能分析其中的原因嗎？答：重核（原子序數(shù)大于20）的質(zhì)子數(shù)小于中子數(shù)；對(duì)于重核而言，核子數(shù)量大，核子間距也大，由于核力的飽和性，核力會(huì)因?yàn)楹俗娱g距的變大而大幅度減小，甚至小于電磁力。如果質(zhì)子和中子再成對(duì)出現(xiàn)，原子核不穩(wěn)定；如果只增加中子，由于中子之間不存在庫(kù)侖力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系

5、原子核的穩(wěn)定，所以重核內(nèi)中子數(shù)會(huì)明顯大于質(zhì)子數(shù)。若不斷增大原子核的中子數(shù)，能不斷增大原子核嗎？為什么？答：不能；由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，如果我們我們繼續(xù)增大原子核，一些核子間的距離會(huì)大到其間根本沒有核力的作用，這時(shí)即使再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的。三、結(jié)合能將一個(gè)質(zhì)子和中子結(jié)合在一起，會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？若要把它們分開，需要什么條件？答：會(huì)失去一部分能量，如果要分開，還要賦予它們這份能量。結(jié)合能是原子具有的能量嗎？如何理解結(jié)合能？答：結(jié)合能并不是由于核子結(jié)合成原子核而具有的能量，而是為把核子分開而需要的能量。結(jié)合能的大小與什么因素有關(guān)？為什么？答：組成原子核的核子數(shù)，

6、組成原子核的核子數(shù)越多，結(jié)合能越大。什么是比結(jié)合能？為什么說比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合越牢固、原子越穩(wěn)定？答：結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能。比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定.。因?yàn)楸冉Y(jié)合能越大，將每個(gè)核子分開所需的能量越大。四、質(zhì)量虧損物體的質(zhì)量和能量有何關(guān)系？若一個(gè)物體質(zhì)量減小了m，那么它的能量減小多少？答：Emc2 ； E=m c2已知中子的質(zhì)量mn=1.6749×10-27kg，質(zhì)子的質(zhì)量為mp=1.6726×10-27kg，氘核的質(zhì)量mD=3.3436×10-27kg。將一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)氘核，質(zhì)量

7、減小了多少？能量減小了多少？氘核的結(jié)合能是多少？比結(jié)合能是多少？答：質(zhì)量減小量m=( mp+ mn)- mD=0.0039×10-27kg；能量減小量E=m c2=3.51×10-13J=2.19×106eV；結(jié)合能E=2.19MeV；比結(jié)合能為E/2=1.10MeV。將一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)氘核，能量減小了，是否違反了能量守恒定律？為什么？答：沒有違反能量守恒定律；減小的這部分能量以光子釋放出去。將一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)氘核，質(zhì)量減小了，是否違反了質(zhì)量守恒定律？為什么？答：沒有違反質(zhì)量守恒定律；減小的那部分質(zhì)量等于光子的動(dòng)質(zhì)量。什么是質(zhì)量虧損？質(zhì)量虧

8、損表明什么？答：原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和，這個(gè)現(xiàn)象稱為質(zhì)量虧損。質(zhì)量虧損表明，的確存在著原子核的結(jié)合能。如右圖，哪些原子核最穩(wěn)定，為什么？答：中等大小的核最穩(wěn)定，因?yàn)檫@些核的比結(jié)合能最大（平均每個(gè)核子的質(zhì)量虧損最大）。若要釋放結(jié)合能，我們可以怎么做？為什么？答：使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成中等質(zhì)量的核；因?yàn)槭馆^重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成中等質(zhì)量的核，核子的比結(jié)合能都會(huì)增加，即核子將發(fā)生新的質(zhì)量虧損，釋放新的核能。典例探究例2（B級(jí)）.中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，同時(shí)釋放光子，核反應(yīng)方程是。下列說法正確的是（ ACD ）A 反應(yīng)后氘核的質(zhì)量一定小

9、于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量和B 反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)不變，因而質(zhì)量不變C 核子結(jié)合成核時(shí)，一定釋放核能D 光子具有的能量為,為核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損例3(B級(jí)). 碳原子質(zhì)量的1/12叫做原子質(zhì)量單位，用u表示。試證明1u相當(dāng)于931MeV。證明： 碳原子的摩爾質(zhì)量為M=12kg/mol，所以一個(gè)碳原子質(zhì)量為m=M/NA=1.993×10-26kg 所以1u=m/12=M/12NA=1.6606×10-27kg 帶入公式E=mc2得： E=1.4924×10-10J=931MeV 得證學(xué)習(xí)小結(jié)1.知識(shí)2.方法 當(dāng)堂檢測(cè)1（A級(jí)）.假設(shè)氫核、中子、氘核的質(zhì)量分別為m1、m2、m

10、3，那么氫核與中子結(jié)合成氘核時(shí)放出的能量是（ D ）Am3c2 B.(m1+m2)c2 C.(m3-m2-m1)c2 D.(m1+m2-m3)c22（A級(jí)）.一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)氘核釋放2.2MeV的能量，兩個(gè)中子與兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)氦核時(shí)，釋放的28.3MeV的能量?，F(xiàn)在把兩個(gè)中子和兩個(gè)質(zhì)子先結(jié)合成兩個(gè)氘核，再把兩個(gè)氘核結(jié)合成一個(gè)氦核，那么整個(gè)過程中釋放的能量為（ D ）A.不知氘核結(jié)合成氦核時(shí)釋放的能量，故無法判斷 B23.9MeV3(B級(jí)). 中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核時(shí),質(zhì)量虧損為,相應(yīng)的能量為是氘核的結(jié)合能,下列說法正確的是( A )A.用能量小于2.2MeV的光子照射靜止氘核時(shí),氘核不能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子B.用能量小于2.2MeV的光子照射靜止氘核時(shí),氘核可能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子C.用能量小于2.2MeV的光子照射靜止氘核時(shí)