《2019-2020学年高中物理 第三章 4 原子核的结合能课件 教科版选修3-5》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019-2020学年高中物理 第三章 4 原子核的结合能课件 教科版选修3-5（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、4 原子核的结合能,1.理解结合能的概念. 2.知道质量亏损的概念,了解爱因斯坦的质能方程. 3.会根据质能方程和质量亏损的概念进行核能的计算. 4.能解释轻核和重核内中子数、质子数具有不同比例的原因.,1930年,中国物理学家赵忠尧在实验中发现:高能量的射线在铅中具有很强的吸收能力,同时还伴随着一种“额外散射”,大约是0.5 MeV光子.这是历史性的重大发现.但当时出现了某种评价上的失误,使赵忠尧那篇论文没有得到应有的评价.20世纪90年代著名物理学家杨振宁,撰写专文澄清事实,以正视听. 后来证实,赵忠尧的“额外散射”与正负电子湮灭转化为光子有关,当然光子也能转变为一对正负电子(如图所示的右
2、上方为气泡室中正负电子对的径迹).试从能量转化的角度计算要转化为一对电子,每个光子的频率至少应多大?(电子质量m0=9.110-31 kg),提示:正负电子湮灭,转化为能量, 必然有质量亏损,E=2E=2m0c2=1.6410-13J. 每个光子获得E1= 2 =0.8210-13J,1.原子核的结合能 (1)结合能:分散的核子结合成原子核的过程中所释放出的能量称为原子核的结合能. (2)比结合能:原子核的结合能与核子数之比,叫比结合能.比结合能越大,表示原子核中核子结合得越紧密,原子核越稳定,铁元素的原子核的比结合能最大、最稳定. 2.原子核结合能的计算 (1)质量亏损:原子核的静质量小于构
3、成它的所有核子单独存在时的总静质量,二者之差称为质量亏损. (2)爱因斯坦质能方程:E=mc2,其中c是真空中的光速,m是物体的质量,E是物体的能量. (3)结合能计算公式:E=mc2.原子核的结合能是非常大的.,思考:怎样理解爱因斯坦狭义相对论中的质能方程给出的核能的计算方法? 提示:在核反应过程中,质量数虽然守恒,但反应前跟反应后的质量却是不相等的,反应后质量增加的,需要吸收能量;反应后质量减少的,放出能量.不管是吸能反应还是放能反应,都对应有质量的变化,吸收或放出的能量跟质量变化符合质能方程.因此我们理解为爱因斯坦的质能方程给出了核能的计算方法.,3.比结合能曲线 由原子核的比结合能曲线
4、可以看出:第一,比结合能越大,取出一个核子就越困难,核就越稳定,比结合能是原子核稳定程度的量度;第二,曲线中间高两头低,说明中等原子核的比结合能最大,近似于一个常数,表明中等核最稳定;第三,质量较大的重核和质量较小的轻核比结合能都较小,且轻核的比结合能还有起伏. 核聚变:两个轻核结合成较重的单个原子核时会释放出能量我们把这样的过程称为核聚变. 核裂变:将一个重核分裂为两个(或多个)中等质量的核时也可以释放出核能,我们把这样的过程称为核裂变.,思考:由比结合能曲线观察原子核质量数与比结合能的关系,比较原子核的稳定性,找出自然界中核子的比结合能有什么特点? 提示:重核的比结合能比中等质量核的比结合
5、能要小,容易裂变成中等质量的核而放出能量;轻核的比结合能比稍重的核的比结合能要小,如果它们聚集成较重的核,也要释放能量.,1.比结合能与原子核的稳定性 (1)比结合能的大小能够反映核的稳定程度,比结合能越大,原子核就越难拆开,表示该核就越稳定. (2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核,比结合能都比较小,中等核子数的原子核,比结合能较大,表示这些原子核较稳定. (3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时可释放核能,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核子数大一些的核,都能释放出巨大的核能.,结合能是核子结合成原子核时放出的能量或
6、原子核拆解成核子时吸收的能量,而比结合能是核子结合成原子时每个核子平均放出的能量或原子核拆解成核子时平均每个核子吸收的能量.结合能大的原子核,比结合能不一定大,结合能小的原子核,比结合能不一定小.,2.正确认识质能方程质量亏损 (1)质能方程E=mc2 质能方程说明,一定的质量总是跟一定的能量相联系的.具体地说,一定质量的物体所具有的总能量是一定的,等于光速的二次方与其质量之积,这里所说的总能量,不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量,而是物体所具有的各种能量的总和. 质能方程的本质 a.质量或能量是物质的属性之一,决不能把物质和它们的某一属性(质量和能量)等同起来; b.质能方程揭示了质量
7、和能量的不可分割性,方程建立了这两个属性在数值上的关系,这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒,质量和能量在数值上的联系决不等于这两个量可以相互转化.,(2)在谈到结合能和质量亏损时,有的人误认为,当核子组成原子核时,有质量亏损,放出结合能的过程中,是质量变成了能量,这是对质能方程的一种误解.按照相对论,物体的质量是与速度有关的量,当物体的速度越大时,物体的质量越大.物体运动时的运动质量与物体静止时的静止质量间存在一定关系.上述所说的质子、中子、原子核的质量都是指静止质量.质量亏损是静止质量发生了变化.如一个质子和一个中子结合成氘核的过程中,2.22 MeV的能量是以辐射光子形式放出的,光子的静止
8、质量为零,但这个光子的运动质量为 .由此可见,当计算辐射光子的质量时,虽说反应前后发生了质量亏损,这部分亏损恰好与光子的运动质量是相同的.反应前后的质量仍是守恒量,质量亏损并非这部分质量消失了.当然,也就不存在质量转变成能量的问题.,在核反应中仍遵循质量守恒和能量守恒的规律.核反应中的质量亏损,并不是这部分质量消失了或质量转变成能量.物体的质量应包括静止质量和运动质量,质量亏损是静止质量的减少,减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量.质量亏损也不是核子个数的减少,核反应中核子个数是不变的.,3.核能的计算方法 (1)根据核反应方程,计算出核反应前与核反应后的质量亏损m. (2)根据爱因
9、斯坦质能方程E=mc2或E=mc2计算核能. (3)利用比结合能来计算核能 原子核的结合能=核子的比结合能核子数.核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差,就是该次核反应所释放(或吸收)的核能.,在计算核能的值时应注意单位的选取: (1)用国际单位制计算时m的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,根据E=mc2计算E的单位是“J”. (2)用实用单位计算,核物理中常以碳原子质量的 作为原子质量单位,用“u”表示.1 u =1.660 510-27 kg;常以电子伏(eV)作能量单位,1 eV=1.610-19 1 J=1.610-19 J. 则原子质量单位1
10、 u对应的能量为E=mc2=1.660 510-27(2.997 9,108)2 J,当计算时m的单位用“u”,由E=m931.5 MeV计算,E的单位是“MeV”.,类型一,类型二,有关核能的计算,子的质量是1.008 665 u.求:(质量亏损1 u相当于释放931.5 MeV的能量) (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)氚核的结合能和比结合能各是多少? 解析:(1)一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程式是,mp+2mn=(1.007 277+21.008 665) u=3.024 607 u, 反应后新核的质量为mH=3.016 050 u,
11、 质量亏损为 m=(3.016 050-3.024 607) u=-0.008 557 u.,类型一,类型二,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 E=0.008 557931.5 MeV=7.97 MeV. (2)氚核的结合能即为E=7.97 MeV,答案:(1)放出能量,能量为7.97 MeV (2)7.97 MeV 2.66 MeV 题后反思:(1)计算过程中m的单位是kg,E的单位是J. (2)若m的单位是u,E的单位是MeV,可直接利用公式E=m931.5 MeV来计算核能.,类型一,类型二,比结合能曲线的理解 【例题2】 从比结合能曲线你能获得怎样
12、的信息? 比结合能曲线,类型一,类型二,解析:根据结合能的意义来读图,原子核越大,它的结合能越高,因此,有意义的是它的结合能与核子数之比,称作比结合能.比结合能越大,核子结合得越牢固,原子核越稳定. 从图中可以看出,铁原子核的比结合能最大,也就是核子结合成铁原子核或铁附近的原子核时,每个核子平均放出的能量大,因此可知两个比铁轻的原子核结合时,或比铁重的重核分裂时,都要放出能量. 答案:见解析 题后反思:从图像获得信息比较直观,一般分析图像,要先看清楚横坐标和纵坐标表示的物理量、单位、数量级,再分析斜率、截距、包围面积的意义,然后再找出图像中的极值点的意义.,1,2,3,4,5,1(多选)关于原
13、子核的结合能与比结合能,下列说法正确的是( ) 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.比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.不同原子核的比结合能不同,重核的比结合能比轻核的比结合能大 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,核力将做功,释放能量.对某种原子核,平均每个核子的结合能称为比结合能.不同原子核的比结合能不同.重核的比结合能比中等质量核的比结合能要小,轻核的比结合能比稍重的核的比结合能要小.综上所述,正
14、确选项为A、B、C. 答案:ABC,1,2,3,4,5,2(多选)关于质能方程,下列说法正确的是( ) A.质量减少,能量就会增加,在一定条件下质量转化为能量 B.物体获得一定的能量,它的质量也相应地增加一定值 C.物体一定有质量,但不一定有能量,所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系 D.某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的 解析:质能方程E=mc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的,当物体获得一定的能量,即能量增加某一定值时,它的质量也相应增加一定值,并可根据E=mc2进行计算,所以B、D正确. 答案:BD,1,2,3,4,5,3(多选)一个质子和一个中子结合成氘核,同时放出
15、光子,核反应方,A.反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和 B.反应前后的质量数不变,因而质量不变 C.反应前后质量数不变,但会出现质量亏损 D.光子的能量为mc2,m为反应中的质量亏损,c为光在真空中的速度 解析:核反应中质量数与电荷数及能量均守恒,由于反应中要释放核能,会出现质量亏损,反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和,所以质量不守恒,但质量数不变,且能量守恒,释放的能量会以光子的形式向外释放,故正确选项为A、C、D. 答案:ACD,1,2,3,4,5,0.75106 eV的能量,写出核反应方程式 ,反应过程中质量亏损为 kg. 解析:根据质量数守恒和电荷守恒可
16、以写出核反应方程为,1,2,3,4,5,5已知:氮核质量MN=14.007 53 u,氧17核的质量MO=17.004 54 u,氦核质量MHe=4.003 87 u,氢核质量MH=1.008 15 u.,量变化为多少? 解析:反应前总质量为MN+MHe=18.011 40 u, 反应后总质量为MO+MH=18.012 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E=mc2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 69-18.011 40)931.5 MeV1.2 MeV. 答案:吸收能量 能量变化为1.2 MeV,
