2024-2025學(xué)年高中物理第十九章原子核第5節(jié)核力與結(jié)合能學(xué)案新人教版選修3-5

PAGE8-第5節(jié)核力與結(jié)合能1．知道核力的概念、特點(diǎn)和四種基本相互作用。2．了解結(jié)合能和比結(jié)合能的概念，會(huì)利用比結(jié)合能推斷原子核的穩(wěn)定性。3．知道質(zhì)量虧損的概念，會(huì)應(yīng)用質(zhì)能方程進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。一、核力及特點(diǎn)1．核力：原子核里的eq\o(□,\s\up3(01))核子間的相互作用力。2．核力的特點(diǎn)(1)核力是強(qiáng)相互作用(強(qiáng)力)的一種表現(xiàn)。在原子核的尺度內(nèi)，核力比庫(kù)侖力eq\o(□,\s\up3(02))大得多。(2)核力是短程力，作用范圍在eq\o(□,\s\up3(03))1.5×10－15m之內(nèi)。大于0.8×10－15m時(shí)表現(xiàn)為吸引力，小于0.8×10－15m時(shí)表現(xiàn)為斥力。(3)核力的飽和性每個(gè)核子只跟eq\o(□,\s\up3(04))鄰近的核子發(fā)生核力作用。二、四種基本相互作用1．長(zhǎng)程力：萬(wàn)有引力、eq\o(□,\s\up3(01))電磁力，在相同距離上，eq\o(□,\s\up3(02))電磁力要比eq\o(□,\s\up3(03))萬(wàn)有引力強(qiáng)1035倍。2．短程力：發(fā)生在原子核內(nèi)的強(qiáng)相互作用和eq\o(□,\s\up3(04))弱相互作用。弱相互作用是引起原子核eq\o(□,\s\up3(05))β衰變的緣由，其力程比強(qiáng)力eq\o(□,\s\up3(06))更短，為10－18m。三、原子核中質(zhì)子與中子的比例在自然界穩(wěn)定的原子核中：(1)較輕的原子核：質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)eq\o(□,\s\up3(01))大致相等。(2)較重的原子核：中子數(shù)eq\o(□,\s\up3(02))大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差eq\o(□,\s\up3(03))越多。四、結(jié)合能1．原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開(kāi)，也須要eq\o(□,\s\up3(01))能量，這就是原子核的結(jié)合能。2．原子核的結(jié)合能與eq\o(□,\s\up3(02))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，原子核中核子結(jié)合得越eq\o(□,\s\up3(03))堅(jiān)固，原子核越eq\o(□,\s\up3(04))穩(wěn)定。3.eq\o(□,\s\up3(05))中等質(zhì)量的核的比結(jié)合能最大、最穩(wěn)定。五、質(zhì)量虧損1．愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程eq\o(□,\s\up3(01))E＝mc2。2．質(zhì)量虧損：原子核的質(zhì)量eq\o(□,\s\up3(02))小于組成它的核子的質(zhì)量之和的現(xiàn)象。判一判(1)原子核中隨意兩個(gè)核子間都存在核力。()(2)核子間有核力存在，原子核能無(wú)休止增大。()(3)結(jié)合能越大原子核越穩(wěn)定。()(4)一個(gè)氘核分解成質(zhì)子和中子時(shí)須要汲取能量。()(5)全部的核反應(yīng)肯定伴隨著質(zhì)量虧損，有核能放出。()提示：(1)×(2)×(3)×(4)√(5)×想一想(1)核力總是相互吸引的嗎？提示：不是。核力在大于0.8×10－15m，小于1.5×10－15m時(shí)表現(xiàn)為吸引力，而在距離小于0.8×10－(2)原子核的結(jié)合能越大，其比結(jié)合能也越大嗎？提示：結(jié)合能是核子結(jié)合成原子核放出的能量或原子核拆散成核子汲取的能量，而比結(jié)合能是原子核的結(jié)合能與核子數(shù)的比值，結(jié)合能大的原子核，比結(jié)合能不肯定大；結(jié)合能小的原子核，比結(jié)合能不肯定小。(3)質(zhì)量虧損是在核反應(yīng)過(guò)程中核子數(shù)削減了嗎？提示：核反應(yīng)過(guò)程質(zhì)量數(shù)守恒，即核子數(shù)不變。出現(xiàn)質(zhì)量虧損是由于核子的平均質(zhì)量減小導(dǎo)致的。課堂任務(wù)核力及原子核中質(zhì)子與中子的比例1．核力的性質(zhì)(1)核力是四種相互作用中的強(qiáng)相互作用(強(qiáng)力)的一種表現(xiàn)。(2)核力是短程力。約在10－15m數(shù)量級(jí)時(shí)起作用，距離大于0.8×10－15m時(shí)為引力，距離小于0.8×10－15m時(shí)為斥力，距離為10×10(3)核力具有飽和性。核子只對(duì)相鄰的少數(shù)核子產(chǎn)生較強(qiáng)的引力，而不是與核內(nèi)全部核子發(fā)生作用。(4)核力與核子是否帶電無(wú)關(guān)。2．核子比例關(guān)系自然界中較輕的原子核，其質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等；較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)；越重的元素，兩者相差越多，如圖所示。3．說(shuō)明(1)這可用核力與電磁力的不同特點(diǎn)說(shuō)明：原子核大到肯定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力特別小，較多的質(zhì)子集聚在一起的核力不足以平衡它們之間的庫(kù)侖力，原子核就不穩(wěn)定了。這時(shí)，假如不再成對(duì)地增加質(zhì)子和中子，而只增加中子，中子與其他核子沒(méi)有庫(kù)侖斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)定。(2)核力的飽和性：穩(wěn)定的重原子核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，假如我們接著增大原子核，一些核子間的距離會(huì)大到其間根本沒(méi)有核力的作用，這時(shí)即使再增加中子，形成的核也肯定是不穩(wěn)定的。所以原子核大小也受到限制。例1關(guān)于原子核中質(zhì)子和中子的說(shuō)法，正確的是()A．原子核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)肯定相等B．穩(wěn)定的重原子核里，質(zhì)子數(shù)比中子數(shù)多C．原子核都是特別穩(wěn)定的D．由于核力的作用范圍是有限的，核力具有飽和性，不行能無(wú)節(jié)制地增大原子核而仍穩(wěn)定存在(1)原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)一樣多嗎？提示：由核子比例關(guān)系圖可知：較輕的原子核質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但隨原子序數(shù)的增加，穩(wěn)定原子核中的中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，且原子序數(shù)越大，兩者差值越大。(2)若沒(méi)有其他因素的影響，原子核就肯定穩(wěn)定不變嗎？提示：不是。有一部分原子核會(huì)自發(fā)衰變。[規(guī)范解答]質(zhì)量越大的原子核內(nèi)中子數(shù)比質(zhì)子數(shù)多得越多，故A、B錯(cuò)誤；原子核可以發(fā)生衰變，故C錯(cuò)誤；由核力作用特點(diǎn)可知，核子數(shù)越多的原子核越不穩(wěn)定，故D正確。[完備答案]Deq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練1])(多選)關(guān)于核力，下列說(shuō)法中正確的是()A．核力是一種特別的萬(wàn)有引力B．原子核內(nèi)隨意兩個(gè)核子間都有核力作用C．核力是原子核能穩(wěn)定存在的緣由D．核力是一種短程強(qiáng)作用力答案CD解析核力不是萬(wàn)有引力，是一種強(qiáng)相互作用的短程力，并且只發(fā)生在鄰近的核子間，有助于維系原子核的穩(wěn)定，故A、B錯(cuò)誤，C、D正確。課堂任務(wù)結(jié)合能與比結(jié)合能1．結(jié)合能的理解(1)結(jié)合能是指核子結(jié)合成原子核放出的能量，也等于將原子核的核子分開(kāi)時(shí)須要的能量。(2)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(kāi)而須要的能量。(3)結(jié)合能一詞通常只用在原子核中。(4)組成原子核的核子越多，原子核的結(jié)合能越高。2．比結(jié)合能的理解相比原子核的結(jié)合能，有意義的是它的結(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，原子核中核子結(jié)合得越堅(jiān)固，原子核越穩(wěn)定。3．比結(jié)合能曲線不同原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)改變圖線如圖所示。從圖中可看出，中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能最大，輕核和重核的比結(jié)合能都比中等質(zhì)量的原子核要小。4．比結(jié)合能與原子核穩(wěn)定性的關(guān)系(1)比結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定程度，比結(jié)合能越大，原子核就越難拆開(kāi)，表示該核就越穩(wěn)定。(2)核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，比結(jié)合能都比較小，表示原子核不太穩(wěn)定；中等核子數(shù)的原子核，比結(jié)合能較大，表示原子核較穩(wěn)定。(3)當(dāng)比結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成比結(jié)合能較大的原子核時(shí)，就可釋放核能。例2對(duì)結(jié)合能、比結(jié)合能的相識(shí)，下列說(shuō)法正確的是()A．一切原子核均具有結(jié)合能B．自由核子結(jié)合為原子核時(shí)，可能汲取能量C．結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定D．比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定(1)什么是結(jié)合能？提示：把原子核分開(kāi)成核子所須要的能量。(2)推斷原子核是否穩(wěn)定的依據(jù)是什么？提示：依據(jù)是比結(jié)合能。比結(jié)合能越大原子核越穩(wěn)定。[規(guī)范解答]氫原子核只有一個(gè)質(zhì)子，無(wú)結(jié)合能，結(jié)合能并不是原子核所具有的能量，故A錯(cuò)誤；自由核子結(jié)合為原子核時(shí)，放出能量，故B錯(cuò)誤；比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，故C錯(cuò)誤，D正確。[完備答案]D結(jié)合能、比結(jié)合能的對(duì)比理解(1)核子結(jié)合成原子核時(shí)肯定釋放能量，原子核分開(kāi)成核子時(shí)肯定汲取能量。汲取或釋放的能量越大，表明原子核的結(jié)合能越大。(2)比結(jié)合能為結(jié)合能與核子數(shù)的比值，比結(jié)合能越大表明原子核越穩(wěn)定。一般狀況下，中等質(zhì)量的原子核比輕核和重核的比結(jié)合能大。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練2])一個(gè)中子與某原子核發(fā)生核反應(yīng)，生成一個(gè)氘核，其核反應(yīng)方程式為_(kāi)_________。該反應(yīng)放出的能量為Q，則氘核的比結(jié)合能為_(kāi)______。答案eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(2,1)Heq\f(Q,2)解析方程式：eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(2,1)H。由題意知氘核的核子數(shù)為2，所以比結(jié)合能為eq\f(Q,2)。課堂任務(wù)質(zhì)量虧損與核能的計(jì)算1．質(zhì)量虧損的理解所謂質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消逝，削減的質(zhì)量在核子結(jié)合成核的過(guò)程中以能量的形式輻射出去了。反過(guò)來(lái)，把原子核分裂成核子，總質(zhì)量要增加，總能量也要增加，增加的能量要由外部供應(yīng)。總之，物體的能量和質(zhì)量之間存在著親密的聯(lián)系，它們之間的關(guān)系就是E＝mc2。2．對(duì)質(zhì)能方程E＝mc2本質(zhì)的理解愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程反映的是質(zhì)量虧損和釋放出核能這兩種現(xiàn)象之間的聯(lián)系，并不表示質(zhì)量和能量之間的轉(zhuǎn)變關(guān)系。對(duì)于質(zhì)量虧損，不能理解為質(zhì)量變成了能量，質(zhì)能方程的本質(zhì)是：(1)質(zhì)量或能量是物質(zhì)的屬性之一，絕不能把物質(zhì)和它們的某一屬性(質(zhì)量和能量)等同起來(lái)。(2)質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量和能量的不行分割性，建立了這兩個(gè)屬性在數(shù)值上的關(guān)系，這兩個(gè)量分別遵守質(zhì)量守恒和能量守恒，質(zhì)量和能量在數(shù)值上的聯(lián)系絕不是說(shuō)這兩個(gè)量可以相互轉(zhuǎn)化。(3)質(zhì)量虧損不是否定了質(zhì)量守恒定律。依據(jù)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，輻射出的γ光子靜質(zhì)量雖然為零，但它有動(dòng)質(zhì)量，而且這個(gè)動(dòng)質(zhì)量剛好等于虧損的質(zhì)量，所以質(zhì)量守恒、能量守恒仍成立。3．核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量ΔE＝Δmc2從愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程同樣可以得出，物體的能量改變?chǔ)與物體的質(zhì)量改變?chǔ)的關(guān)系：ΔE＝Δmc2。4．核能的計(jì)算方法(1)依據(jù)質(zhì)量虧損計(jì)算①計(jì)算核反應(yīng)前和核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損Δm。②依據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2計(jì)算核能。其中Δm的單位是千克，ΔE的單位是焦耳。(2)利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特計(jì)算①明確原子質(zhì)量單位u和電子伏特之間的關(guān)系1u＝1.6605×10－27kg,1eV＝1.60217×10－191u對(duì)應(yīng)的能量E＝mc2＝eq\f(1.6605×10－27×2.998×1082,1.60217×10－19)eV＝931.5MeV。②用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損乘以931.5MeV/u，即ΔE＝Δm×931.5MeV/u。其中Δm的單位是u，ΔE的單位是MeV。例3用動(dòng)能為E1＝0.6MeV的質(zhì)子轟擊靜止的鋰核eq\o\al(7,3)Li，生成了兩個(gè)α粒子(已知質(zhì)子、α粒子、鋰核的質(zhì)量分別為mp＝1.0073u，mα＝4.0026u，mLi＝7.0160u)。(1)寫(xiě)出該核反應(yīng)方程；(2)試計(jì)算生成的兩個(gè)α粒子的動(dòng)能之和。(1)核反應(yīng)過(guò)程遵循的規(guī)律是什么？提示：核反應(yīng)過(guò)程質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。(2)核反應(yīng)過(guò)程釋放的核能到哪里去了？提示：由能量守恒可知核能轉(zhuǎn)化為α粒子的動(dòng)能。[規(guī)范解答](1)依據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒有：eq\o\al(7,3)Li＋eq\o\al(1,1)H→2eq\o\al(4,2)He。(2)核反應(yīng)的質(zhì)量虧損：Δm＝mLi＋mp－2mα＝7.0160u＋1.0073u－2×4.0026u＝0.0181u。由質(zhì)能方程可得核反應(yīng)釋放出的能量為ΔE＝Δm×931.5MeV/u＝0.0181×931.5MeV≈16.9MeV。又由能量守恒定律，得生成的兩個(gè)α粒子的動(dòng)能之和為E＝E1＋ΔE＝0.6MeV＋16.9MeV＝17.5MeV。[完備答案](1)eq\o\al(7,3)Li＋eq\o\al(1,1)H→2eq\o\al(4,2)He(2)17.5MeV核能計(jì)算的五種類(lèi)型(1)依據(jù)質(zhì)量虧損公式ΔE＝Δmc2計(jì)算。(2)利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特間的關(guān)系計(jì)算ΔE＝Δm·931.5MeV/u。(3)利用平均結(jié)合能來(lái)計(jì)算核能原子核的結(jié)合能＝核子的平均結(jié)合能×核子數(shù)。核反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)全部原子核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的全部新核的總結(jié)合能之差，就是該次核反應(yīng)所釋放(或汲取)的核能。(4)依據(jù)能量守恒和動(dòng)量守恒來(lái)計(jì)算核能參加核反應(yīng)的粒子所組成的系統(tǒng)，在核反應(yīng)過(guò)程中的動(dòng)量和能量是守恒的，因此，在題給條件中沒(méi)有涉及質(zhì)量虧損，或者核反應(yīng)所釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為生成的新粒子的動(dòng)能而無(wú)光子輻射的狀況下，從動(dòng)量和能量守恒可以計(jì)算出釋放的核能。(5)應(yīng)用阿伏加德羅常數(shù)計(jì)算核能若要計(jì)算具有宏觀質(zhì)量的物質(zhì)中全部原子核都發(fā)生核反應(yīng)所放出的總能量，應(yīng)用阿伏加德羅常數(shù)計(jì)算核能較為簡(jiǎn)便。①依據(jù)物體的質(zhì)量m和摩爾質(zhì)量M由n＝eq\f(m,M)求出物質(zhì)的量，并求出原子核的個(gè)數(shù)：N＝NAn＝NAeq\f(m,M)。②由題設(shè)條件求出一個(gè)原子核與另一個(gè)原子核反應(yīng)放出或汲取的能量E0(或干脆從題目中找出E0)。③再依據(jù)E＝NE0求出總能量。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練3])(多選)在某些恒星內(nèi)，3個(gè)α粒子結(jié)合成1個(gè)eq\o\al(12,6)C核，eq\o\al(12,6)C原子的質(zhì)量是12.0000u，eq\o\al(4,2)He原子的質(zhì)量是4.0026u。已知1u＝1.66×10－27kg，則()A．反應(yīng)過(guò)程中的質(zhì)量虧損是0.0078uB．反應(yīng)過(guò)程