5.1核能来自何方 学案（2020年沪科版高中物理选修3-5）

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1、51核能来自何方学习目标 1.知道核力的概念、特点.2.认识原子核的结合能，了解平均结合能.3.知道什么是质量亏损，能用爱因斯坦质能方程计算原子核的结合能一、强大的核力导学探究1有的同学认为：“原子核内质子间的库仑斥力，与质子、中子间的万有引力平衡而使原子达到稳定状态”，这种说法正确吗？答案不正确在相同的距离上，质子之间的库仑力的大小大约比万有引力强1035倍，两者相差悬殊，不可能平衡2是什么力克服质子之间的库仑斥力，使核子结合成一个稳固的原子核的？答案核子间(质子与质子、中子与中子、质子与中子)存在着一种比库仑力大得多的核力知识梳理1核力：组成原子核的核子之间存在着一种特殊的力2核力特点：(

2、1)核力是一种强相互作用力，它存在于质子与质子间、质子与中子间、中子与中子间(2)核力是一种短程力，它的作用距离只有1015 m的数量级因此，每个核子只能对跟它邻近的少数核子(一般不超过3个)发生显著的相互作用(3)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即学即用判断下列说法的正误(1)原子核中的质子是靠自身的万有引力聚在一起的()(2)核力是强相互作用力，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多()二、结合能导学探究1设有一个质子和一个中子在核力作用下靠近碰撞并结合成一个氘核质子和中子结合成氘核的过程中是释放能量还是吸收能量？使氘核分解为质子和中子的过程中

3、呢？答案质子和中子结合成氘核的过程中要释放能量；氘核分解成质子和中子时要吸收能量2如图1所示是不同原子核的平均结合能随核子数变化的曲线图1(1)从图中看出，中等质量的原子核与重核、轻核相比平均结合能有什么特点？平均结合能的大小反映了什么？(2)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是吸收能量还是释放能量？答案(1)中等质量的原子核平均结合能较大，平均结合能的大小反映了原子核的稳定性，平均结合能越大，原子核越稳定(2)释放能量知识梳理1结合能核子结合成原子核时放出的能量，或原子核分解成核子时吸收的能量，都叫做原子核的结合能2平均结合能核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量叫做平均

4、结合能，它等于核的结合能跟核子数的比值平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定3核子数较小的轻核与核子数较大的重核，平均结合能都比较小，中等核子数的原子核，平均结合能较大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即学即用判断下列说法的正误(1)一切原子核均具有结合能()(2)组成原子核的核子越多，它的平均结合能就越高()(3)结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定()(4)自由核子结合为原子核时，可能吸收能量()三、核能的计算导学探究1用粒子轰击铍(Be)核发现中子的核反应方程：BeHeCn甲同学说：核反应过程中核子数没变，所以质量是守恒的；乙同学查找

5、资料，各个原子核或核子的质量如下：mBe9.012 19 u，mC12.000 u，m4.002 6 u，mn1.008 665 u(其中1 u1.660 5661027 kg)，他通过计算发现反应之后的质量减少了，于是他得出结论“核反应过程中质量消失了”这两个同学的说法对吗？如果不对错在哪里？你对质量亏损是如何理解的？答案甲同学的说法错误核反应过程中是质量数守恒而不是质量守恒；乙同学的说法错误质量亏损并不是质量消失质量亏损并不是质量消失，减少的质量在核子结合成原子核的过程中以能量的形式辐射出去了2试计算上述核反应过程中是释放能量，还是吸收能量？能量变化了多少？(结果保留三位有效数字)答案反应

6、前的总质量m1mBem9.012 19 u4.002 6 u13.014 79 u反应后的总质量m2mCmn12.000 u1.008 665 u13.008 665 u所以质量亏损mm1m213.014 79 u13.008 665 u0.006 125 u.放出的能量Emc20.006 1251.660 5661027(3108)2 J9.151013 J5.72 MeV.知识梳理1质能方程爱因斯坦的质能方程指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是Emc2.2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原子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

7、加；质量减少，则总能量也随之减少这时质能方程也写作Emc2.一、对结合能和平均结合能的理解1中等质量原子核的平均结合能最大，轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核要小2平均结合能与原子核稳定性的关系(1)平均结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，平均结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，平均结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，平均结合能较大，表示原子核较稳定(3)当平均结合能较小的原子核转化成平均结合能较大的原子核时，就能释放核能例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个

8、核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能例1下列关于结合能和平均结合能的说法中，正确的是()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，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1核子结

9、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二、质量亏损和核能的计算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m.(2)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(1)明确原子质量单位u和电子伏特之间的关系 1 u1.660 5661027 kg,1 eV1.602 1781019 J由Emc2得E eV931.5 MeV(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5

10、MeV的能量，计算核能时可以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2H的质量是3.016 050 u，质子的质量是1.007 277 u，中子的质量为1.008 665 u求：(质量亏损1 u相当于释放931.5 MeV的能量，结果均保留三位有效数字)(1)一个质子和两个中子结合为氚核时，是吸收还是放出能量？该能量为多少？(2)氚核的结合能和平均结合能各是多少？答案(1)放出7.97 MeV(2)7.97 MeV2.66 MeV解析(1)一个质子和两个中子结合成氚核的核反应方程式是H2nH，反应前各核

11、子总质量为mp2mn(1.007 27721.008 665) u3.024 607 u，反应后新核的质量为mH3.016 050 u，质量亏损为m(3.024 6073.016 050) u0.008 557 u.因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应放出能量释放的核能为E0.008 557931.5 MeV7.97 MeV.(2)氚核的结合能即为E7.97 MeV，它的平均结合能为2.66 MeV.核能的两种单位换算技巧1若以kg为质量亏损m的单位，则计算时应用公式Emc2，核能的单位为J.2若以原子质量单位“u”为质量亏损m的单位，则Em931.5 MeV，核能的单位为MeV.3

12、两种单位的换算：1 MeV11061.61019 J1.61013 J.针对训练一个氘核(H)和一个氚核(H)结合成一个氦核并放出一个中子时，质量亏损为m，已知阿伏加德罗常数为NA，真空中的光速为c，若1 mol氘和1 mol氚完全发生上述核反应，则在核反应中释放的能量为()ANAmc2 B2NAmc2C.NAmc2 D5NAmc2答案A解析根据爱因斯坦的质能方程，一个氘核和一个氚核结合成一个氦核并放出一个中子释放的能量为Emc2，1 mol氘和1 mol氚完全发生上述核反应，释放的能量为上述反应的NA倍，即NAmc2，故A正确，B、C、D错误1(核力的特点)下列关于核力的说法正确的是()A核

13、力同万有引力没有区别，都是物体间的相互作用B核力就是电磁力C核力是短程力，作用范围在1015 m之内D核力与电荷有关答案C解析核力是短程力，超过1015 m，核力急剧下降几乎消失，故选项C正确；核力与万有引力、电磁力不同，故选项A、B错误；核力与电荷无关，故选项D错误2(对质能方程的理解)(多选)对公式Emc2的正确理解是()A如果物体的能量减少了E，它的质量也一定相应地减少mB如果物体的质量增加了m，它的能量也一定相应地增加mc2Cm是某原子核在衰变过程中增加的质量D在把核子结合成原子核时，若放出的能量是E，则这些核子的质量和与组成的原子核的质量之差就是m答案ABD解析一定的质量对应一定的能

14、量，物体的能量减少了E，它的质量也一定相应地减少m，即发生质量亏损，所以选项A、D正确如果物体的质量增加了m，它的能量一定相应地增加mc2，所以选项B正确某原子核衰变时，一定发生质量亏损，所以选项C错误3(对结合能和平均结合能的理解)(多选)关于原子核的结合能，下列说法正确的是()A原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B一重原子核衰变成粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能C铯原子核(Cs)的结合能小于铅原子核(Pb)的结合能D平均结合能越大，原子核越不稳定答案ABC解析结合能是把核子分开所需的最小能量，选项A正确；一重原子核衰变成粒子和另一原子核，存

15、在质量亏损，核子平均结合能增大，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，选项B正确；核子数越多，结合能越大，选项C正确；平均结合能越大，分开核子所需的能量越大，原子核越稳定，选项D错误4(核能的计算)一个锂核(Li)受到一个质子的轰击，变成两个粒子已知质子的质量是1.672 61027 kg，锂核的质量是11.650 51027 kg，氦核的质量是6.646 61027 kg.(1)写出上述核反应的方程；(2)计算上述核反应释放出的能量答案(1)LiH2He(2)2.6911012 J解析(1)LiH2He(2)核反应的质量亏损mmLimp2m(11.650 510271.672 6102726.646 61027) kg2.991029 kg释放的能量Emc22.991029(3108)2 J2.6911012 J.