4.1核力与核能 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-5）

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1、第第 1 节节 核力与核能核力与核能 目标定位 1.知道核力的概念、特点.2.知道稳定原子核中质子与中子的比例特点.3.理解结 合能和平均结合能的概念， 知道核反应中的质量亏损.4.知道爱因斯坦质能方程， 理解质量与 能量的关系 一、核力与核的稳定性 1核力：把原子核中的核子维系在一起的力 2核力特点：(1)核力是一种强相互作用 (2)核力是短程力，作用范围在 2_fm 左右 3核素：具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子 4核素图：用横坐标表示质子数，纵坐标表示中子数，每一种核素用一小方块表示，所得 到的图象 5核的稳定性 (1)核素的稳定区：几乎全落在一条曲线上，或紧靠曲线两侧的区域 (

2、2)稳定核素的中子数与质子数的关系：随着质子数的增加，稳定核素的中子数越来越大于 质子数 二、结合能与平均结合能 1结合能：核子结合成原子核时放出的能量 2质量亏损 (1)爱因斯坦质能方程 Emc2. (2)质量亏损：任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和，这一差值称 为质量亏损 (3)亏损的质量与释放的能量间的关系：Emc2. 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 3平均结

3、合能 核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量 平均结合能越大， 原子核越难分离成单个核 子 一、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 (1)若用质子与中子成对地人工构建原子核，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 (2)若只增加中子，中子与其他核子间没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维 系原子核的稳定，所以

4、稳定的重原子核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 离会大于核力的作用范围，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的 【例 1】 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为 D

5、. 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的图线如图 1 所示 图 1 从图中可看出， 中等质量原子核的平均结合能较大， 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，反之，需要 吸收能量 3平均结合能的大小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

6、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较大 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 核子结合成原子核会放出能量，原子核拆解成核子需要吸收能量，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的大，但由于核子数比重核的少，其结合能比重核的反而小， 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 的多，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

7、合成原子核时一定释放能量，原子核分开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都大 针对训练 一个中子与某原子核发生核反应，生成一个氘核，其核反应方程为 _该反应放出的能量为 Q，则氘核的平均结合能为_ 答案 1 0n 1 1H 2 1H Q 2 解析 方程式：10n11H 21H. 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Q 2. 三、质量亏损

8、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 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 Emc2. 2核能的计算方法 (1)根据质量亏损计算 根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损 m. 根据爱因斯坦质能方程 Emc2计算核能 其中 m 的单位是千克，E 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 93

9、1.5 MeV 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 931.5 MeV，即 Em931.5 MeV.其中 m 的单位是 u，E 的单位是 MeV. 【例 3】 某核反应方程为21H31H42HeX.已知21H 的质量为 2.013 6 u， 3 1H 的质量为 3.018 0 u，42He 的质量为 4.002 6 u，X 的质量为 1.008 7 u则下列说法中正确的是( ) AX 是质子，该反应释放能量 BX 是中子，该反应释放能量 CX 是质子，该反应吸收能量 DX 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， 根据核反应过程中质量数、 电荷数守

10、恒规律， 可得21H31H42 He10X，X 为中子在该反应发生前反应物的总质量 m12.013 6 u3.018 0 u5.031 6 u， 反应后产物总质量 m24.002 6 u1.008 7 u5.011 3 u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 MN14.007 53 u，氧 17 核的质

11、量 MO17.004 54 u，氦核质量 MHe 4.003 87 u，氢核质量 MH1.008 15 u，试判断：14 7N42He 17 8O11H 这一核反应是吸收 能量还是放出能量？能量变化量是多少？ 答案 吸收能量 1.2 MeV 解析 反应前总质量：MNMHe18.011 40 u， 反应后总质量：MOMH18.012 69 u. 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 Emc2来计算，若反应过程中质量增加 1 u，就会吸收 931.5 MeV 的能 量，故 E(18.012 6918.011 40)931.5 MeV1.2 MeV. 对原子核中核力的

12、理解 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核力可使较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 答案 D 解析 由于原子核带正电， 不存在只有中子的原子核， 但核力也不能把较多的质子聚集在一 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 然界中存在一个质子的原子核，11H，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 对结合能与平均结合能的理解 2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

13、的能量是(c 表示真空中的光速)( ) A(m1m2m3)c B(m1m2m3)c C(m1m2m3)c2 D(m1m2m3)c2 答案 C 解析 根据质能方程，Emc2，其中 mm1m2m3，则 E(m1m2m3)c2，C 正 确，A、B、D 错误 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 Emc2，下列说法中不正确的是( ) AEmc2表明物体具有的能量与其质量成正比 B根据 Emc2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 DEmc2中的 E

14、是发生核反应时释放的核能 答案 D 解析 爱因斯坦质能方程 Emc2，定量地指出了物体的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，则物体的能量增加，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 4三个 粒子结合成一个碳 12，已知碳原子的质量为 12.000 0 u，氦原子质量为 4.002 6 u(1uc2931.5 MeV) (1)写出核反应方程； (2)这个核反应放出的能量是多少 MeV? (3)这个能量合多少焦耳？ 答案 (1)342He12 6CE (2)7.27 MeV (3)1.1610 12 J 解析 (1)核反应方程：342He12 6CE. (2)质量亏损：m34.002 6 u12.000 0 u0.007 8 u12.94810 30 kg， 这个核反应放出的能量是 Emc27.27 MeV. (3)E7.271061.610 19 J1.161012 J.