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1、5核力与结合能1.1.了解四种基本相互作用了解四种基本相互作用, ,知道核力的性质。知道核力的性质。2.2.认识原子核的结合能及质量亏损认识原子核的结合能及质量亏损, ,并能应用质能方程进行计并能应用质能方程进行计算。算。3.3.能简单解释轻核和重核内分子数、质量数具有不同比例的原能简单解释轻核和重核内分子数、质量数具有不同比例的原因。因。一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用1.1.核力核力: :(1)(1)定定义: :原子核里的原子核里的_间存在着的把核子存在着的把核子紧紧地地_在在核内核内, ,形成形成稳定的原子核的定的原子核的_。核子核子束束缚相互作用相互作用(2)(2)
2、特点特点: :核力是核力是_(_(强强力力) )的一种表的一种表现。作用范作用范围在在_之内。之内。核力存在于核子之核力存在于核子之间, ,每个核子只跟每个核子只跟_的核子的核子发生核力生核力作用作用, ,这种性种性质称称为_。强强相互作用相互作用1.5101.510-15-15m m相相邻核力的核力的饱和性和性2.2.四种基本相互作用四种基本相互作用: :自然界中存在四种最基本的相互作用自然界中存在四种最基本的相互作用, ,它它们是是:_:_、_、电磁相互作用和引力相互磁相互作用和引力相互作用。其中作用。其中强强相互作用和弱相互作用是相互作用和弱相互作用是_,_,电磁相互作用磁相互作用和引力
3、相互作用是和引力相互作用是_。强强相互作用相互作用弱相互作用弱相互作用短程力短程力长程力程力二、原子核中质子与中子的比例二、原子核中质子与中子的比例1.1.较轻原子核较轻原子核: :质子数和中子数质子数和中子数_。2.2.较重原子核较重原子核: :中子数中子数_质子数质子数, ,越重的原子核两者相差越重的原子核两者相差越多。越多。大致相等大致相等大于大于三、三、结合能与合能与质量量亏亏损1.1.结合能合能: :原子核是核子原子核是核子结合在一起的合在一起的, ,要把它要把它们_,_,需要能需要能量量, ,这就是原子核的就是原子核的结合能。合能。2.2.比比结合能合能: :原子核的原子核的结合能
4、与合能与_之比称做比之比称做比结合能。比合能。比结合能越大合能越大, ,表示原子核中核子表示原子核中核子结合得越合得越_,_,原子核越原子核越_。_的核的比的核的比结合能最大、最合能最大、最稳定。定。分开分开核子数核子数牢固牢固稳定定中等大小中等大小3.3.质量量亏亏损: :(1)(1)爱因斯坦因斯坦质能方程能方程_。(2)(2)质量量亏亏损: :原子核的原子核的质量量_组成它的核子的成它的核子的质量之和的量之和的现象。象。E=mcE=mc2 2小于小于1.1.判一判判一判: :(1)(1)核力同万有引力一核力同万有引力一样总是相互吸引的。是相互吸引的。( () )(2)(2)核力只核力只发生
5、在相生在相邻的核子之的核子之间。( () )(3)(3)较大的原子核中含有大的原子核中含有质子和中子的个数基本相同。子和中子的个数基本相同。( () )(4)(4)质量可以量可以转化化为能量能量, ,能量也可以能量也可以转化化为质量。量。( () )提示提示: :(1)(1)。核力是短程力。核力是短程力, ,并且在大于并且在大于0.8100.810-15-15m m而小于而小于1.5101.510-15-15m m时表现为引力时表现为引力, ,在小于在小于0.8100.810-15-15m m时表现为斥力。时表现为斥力。(2)(2)。核力是短程力。核力是短程力, ,只发生在相邻的核子之间只发生
6、在相邻的核子之间, ,这种性质称这种性质称为核力的饱和性。为核力的饱和性。(3)(3)。较大的原子核含有的中子数大于质子数。较大的原子核含有的中子数大于质子数。(4)(4)。质量不能转化为能量。质量不能转化为能量, ,能量也不能转化为质量能量也不能转化为质量, ,质量只质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的量度。是物体具有能量多少及能量转变多少的量度。2.2.想一想想一想: :(1)(1)为什么核子不能融合在一起什么核子不能融合在一起? ?提示提示: :核子间存在核力核子间存在核力, ,当核力的作用范围小于当核力的作用范围小于0.8100.810-15-15m m时时, ,核力表现为斥力核力
7、表现为斥力, ,因此核子不会融合在一起。因此核子不会融合在一起。(2)(2)有人有人认为质量量亏亏损就是核子的个数就是核子的个数变少了少了, ,这种种认识对不不对? ?提示提示: :不对。在核反应中质量数守恒即核子的个数不变不对。在核反应中质量数守恒即核子的个数不变, ,只是核只是核子组成原子核时子组成原子核时, ,仿佛变仿佛变“轻轻”了一些了一些, ,原子核的质量总是小于原子核的质量总是小于其全部核子质量之和其全部核子质量之和, ,即发生了质量亏损即发生了质量亏损, ,核子的个数并没有变核子的个数并没有变化。化。主主题一一 核力与四种基本相互作用核力与四种基本相互作用【问题探究】【问题探究】
8、1.1.有的同学有的同学认为“原子核内原子核内质子子间的的库仑斥力与斥力与质子、中子子、中子间的万有引力平衡而使原子达到的万有引力平衡而使原子达到稳定状定状态”,”,这种种说法正确法正确吗? ?提示提示: :不正确。质子之间的库仑斥力的大小与万有引力的大小不正确。质子之间的库仑斥力的大小与万有引力的大小相差相差10103535倍倍, ,两者相差悬殊两者相差悬殊, ,不可能平衡。在原子核内一定还存不可能平衡。在原子核内一定还存在第三种相互作用力来克服较强的库仑斥力。在第三种相互作用力来克服较强的库仑斥力。2.2.原子核中的核子原子核中的核子为什么能什么能紧紧地束地束缚在一起在一起, ,既不融合既
9、不融合为一一体又不分散开体又不分散开? ?提示提示: :核力是短程力核力是短程力, ,约在约在1010-15-15m m数量级时起作用数量级时起作用, ,当距离大于当距离大于0.8100.810-15-15m m时为引力时为引力, ,距离小于距离小于0.8100.810-15-15m m时为斥力时为斥力, ,距离为距离为10101010-15-15m m时核力几乎消失。所以在核力作用下时核力几乎消失。所以在核力作用下, ,原子核内的核原子核内的核子既不能远离散开又不致因为太近而融合为一体。子既不能远离散开又不致因为太近而融合为一体。3.3.原子核中任意两个核子之原子核中任意两个核子之间都存在核
10、力都存在核力吗? ?提示提示: :不是。核力是短程力不是。核力是短程力, ,只有相邻的两个核子之间才存在核只有相邻的两个核子之间才存在核力。力。4.4.是否只有是否只有带电的的质子之子之间存在核力存在核力, ,而中子之而中子之间不存在核力不存在核力呢呢? ?提示提示: :不是。核力与核子是否带电无关不是。核力与核子是否带电无关, ,质子与质子之间质子与质子之间, ,质子质子与中子之间、中子与中子之间都可以有核力作用。与中子之间、中子与中子之间都可以有核力作用。5.5.四种基本相互作用各有什么特点四种基本相互作用各有什么特点? ?提示提示: :(1)(1)强相互作用强相互作用( (强力强力):)
11、:在原子核内在原子核内, ,强力将核子束缚在一强力将核子束缚在一起起, ,是短程力。是短程力。(2)(2)弱相互作用弱相互作用( (弱力弱力):):弱相互作用是引起原子核弱相互作用是引起原子核衰变的原因衰变的原因, ,也是短程力。也是短程力。(3)(3)电磁相互作用电磁相互作用: :电磁力在原子核外电磁力在原子核外, ,电磁力使电子不脱离原电磁力使电子不脱离原子核而形成原子子核而形成原子, ,使原子结合成分子使原子结合成分子, ,使分子结合成液体和固体使分子结合成液体和固体, ,属于长程力。属于长程力。(4)(4)引力相互作用引力相互作用: :引力主要在宏观尺度上引力主要在宏观尺度上“独领风骚
12、独领风骚”,”,是引是引力使行星绕着恒星转力使行星绕着恒星转, ,并且联系着星系团并且联系着星系团, ,决定着宇宙的现状决定着宇宙的现状, ,是长程力。是长程力。【探究总结】【探究总结】核力的理解核力的理解(1)(1)原子核内的原子核内的质子相距很近子相距很近, ,库仑斥力很大斥力很大, ,然而核力却将它然而核力却将它们紧紧约束在一起束在一起, ,可可见核力是核力是强强相互作用相互作用( (强强力力) )的一种表的一种表现。在原子核的尺度内在原子核的尺度内, ,核力比核力比库仑斥力大得多。斥力大得多。(2)(2)核力是短程力核力是短程力, ,在在约0.8100.810-15-151.5101.
13、510-15-15m m的距离内主要的距离内主要表表现为引力。大于引力。大于1.5101.510-15-15m m核力就迅速减小到零核力就迅速减小到零, ,所以核力所以核力是一种短程力。在小于是一种短程力。在小于0.8100.810-15-15m m的距离内的距离内, ,核力又核力又转变为强强大的斥力而使核子不融合在一起。大的斥力而使核子不融合在一起。(3)(3)每个核子只跟相每个核子只跟相邻的核子的核子发生核力作用生核力作用, ,这种性种性质称称为核力核力的的饱和性。和性。(4)(4)核力与核子是否核力与核子是否带电无关无关, ,质子和子和质子子间、质子和中子子和中子间、中子和中子中子和中子
14、间都存在核力作用。都存在核力作用。【即时训练】【即时训练】1.(1.(多多选) )以下关于核力的以下关于核力的说法正确的是法正确的是( () )A.A.核力存在于任何核子之核力存在于任何核子之间B.B.核力只存在于相核力只存在于相邻的核子之的核子之间C.C.核力与万有引力性核力与万有引力性质相同相同D.D.核力是一种短程的核力是一种短程的强强作用力作用力【解【解题探究】探究】(1)(1)核子只跟核子只跟_的核子的核子发生核力作用。生核力作用。(2)(2)核力是一种核力是一种_力力, ,在小于在小于_的距离内。的距离内。相相邻短程短程1.5101.510-15-15m m【解析】【解析】选选B
15、B、D D。核力是短程力。核力是短程力, ,只发生在相邻的核子之间只发生在相邻的核子之间, ,故故A A错误错误,B,B正确正确; ;由于原子核结合得很牢固由于原子核结合得很牢固, ,表明核力应当比质子表明核力应当比质子间的库仑斥力大很多间的库仑斥力大很多, ,所以核力是一种强相互作用力所以核力是一种强相互作用力, ,故故D D正确正确; ;核力与万有引力的性质不同核力与万有引力的性质不同, ,核力是短程力核力是短程力, ,有引力和斥力有引力和斥力, ,万万有引力是长程力有引力是长程力, ,只有引力只有引力, ,其大小相差巨大其大小相差巨大, ,故故C C错误。错误。2.2.下列下列对核力的核
16、力的认识, ,正确的是正确的是( () )A.A.核力是核力是强强相互作用的一种表相互作用的一种表现, ,比比库仑力大得多力大得多B.B.核力存在于核力存在于质子和中子、中子和中子之子和中子、中子和中子之间, ,质子和子和质子之子之间只有只有库仑斥力斥力C.C.核力是核子核力是核子间相互吸引的力相互吸引的力, ,是短程力是短程力D.D.核力只存在于相核力只存在于相邻的核子之的核子之间, ,具有具有饱和性和性【解析】【解析】选选D D。在原子核的尺度内。在原子核的尺度内, ,核力比库仑力大得多核力比库仑力大得多, ,但当但当原子核大到一定程度时原子核大到一定程度时, ,核力将不足以平衡库仑力核力
17、将不足以平衡库仑力,A,A错误错误; ;相邻相邻核子间都存在核力作用核子间都存在核力作用,B,B错误错误,D,D正确正确; ;核子间的距离小于核子间的距离小于0.8 0.8 1010-15-15m m时时, ,核力表现为斥力核力表现为斥力, ,大于大于0.8100.810-15-15m m时表现为吸引力时表现为吸引力,C,C错误。错误。主主题二二 原子核中原子核中质子和中子的比例、子和中子的比例、结合能以及合能以及质量量亏亏损【问题探究】【问题探究】1.1.为什么自然界中什么自然界中较轻的原子核中的原子核中质子数和中子数大致相等子数和中子数大致相等, ,较重的原子核中的中子数大于重的原子核中的
18、中子数大于质子数子数, ,并且越重的原子核两者并且越重的原子核两者相差越多相差越多? ?提示提示: :(1)(1)在在1.5101.510-15-15m m范围内范围内, ,核力起决定作用核力起决定作用, ,它可以平衡库它可以平衡库仑斥力仑斥力, ,又能使原子核内的核子紧紧地束缚在一定的范围之内又能使原子核内的核子紧紧地束缚在一定的范围之内, ,而不至于让库仑斥力使原子核分裂而不至于让库仑斥力使原子核分裂, ,在这个范围之外在这个范围之外, ,库仑斥力库仑斥力起主要作用起主要作用, ,使得原子核外的电子绕核运动。使得原子核外的电子绕核运动。(2)(2)随原子核的增大随原子核的增大, ,核子间的
19、距离增大核子间的距离增大, ,核力和库仑斥力都会核力和库仑斥力都会减小减小, ,但核力减小得更快但核力减小得更快, ,而库仑斥力依然有很强的作用而库仑斥力依然有很强的作用; ;所以所以当原子核增大到一定程度时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相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑斥力平衡它们之间的库仑斥力, ,这个原子核就不稳定了这个原子核就不稳定了; ;这时这时, ,不再不再成对地增加质子和中子成对地增加质子和中子, ,而只增加中子而只增加中子, ,中子与其他核子没有库中子与其他核子没有库仑斥力仑斥力, ,但有相互吸引的核力但有相互吸引的核力, ,所以有助于维
20、系原子核的稳定所以有助于维系原子核的稳定, ,因而重原子核的中子数要比质子数多。因而重原子核的中子数要比质子数多。2.2.什么是比什么是比结合能合能? ?什么什么样的原子核比的原子核比结合能最大合能最大? ?提示提示: :(1)(1)核子在核力的作用下结合成原子核要释放一定的核能核子在核力的作用下结合成原子核要释放一定的核能, ,把原子核的核子全部分开也要克服核力做功而吸收一定的能量把原子核的核子全部分开也要克服核力做功而吸收一定的能量, ,这种能量就是原子核的结合能。结合能与核子数之比就是比结这种能量就是原子核的结合能。结合能与核子数之比就是比结合能合能, ,也叫平均结合能。也叫平均结合能。
21、(2)(2)中等大小的原子核的比结合能最大中等大小的原子核的比结合能最大( (平均每个核子的质量亏平均每个核子的质量亏损最大损最大),),这些核最稳定。这些核最稳定。3.3.怎怎样才能才能获得核能得核能? ?提示提示: :如果使较重的核分裂成中等大小的核如果使较重的核分裂成中等大小的核, ,或者把较小的核合或者把较小的核合并成中等大小的核并成中等大小的核, ,核子的比结合能都会增大核子的比结合能都会增大, ,这样可以释放出这样可以释放出能量能量, ,人们就是根据这个原理人们就是根据这个原理, ,实现重核裂变为中等质量的原子实现重核裂变为中等质量的原子核或轻核聚变成中等质量的原子核来获得能量核或
22、轻核聚变成中等质量的原子核来获得能量, ,现在人类利用现在人类利用核能一是用来制造核武器核能一是用来制造核武器, ,二是和平利用核能发电。二是和平利用核能发电。4.4.爱因斯坦因斯坦质能方程能方程说明明质量量转化化为能量能量, ,这种种说法法对吗? ?提示提示: :不对。质量和能量并不能相互转化不对。质量和能量并不能相互转化, ,质能方程说明质量和质能方程说明质量和能量具有对应关系。能量具有对应关系。5.5.核子核子结合成原子核合成原子核时, ,质量减少量减少, ,说明在核反明在核反应过程中程中质量不量不守恒守恒, ,这种种说法正确法正确吗? ?它它们是如何是如何转化的化的? ?提示提示: :
23、这种认识是错误的。在核反应中仍遵守质量守恒和能量这种认识是错误的。在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒守恒, ,所谓的质量亏损并不是这部分质量消失或质量变为能量。所谓的质量亏损并不是这部分质量消失或质量变为能量。物体的质量应包括静止质量和运动质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质量亏损是静止质量的减少的减少, ,减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量。减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量。6.6.如何根据如何根据质量量亏亏损计算核能算核能? ?还有哪些有哪些计算核能的方法算核能的方法? ?提示提示: :(1)(1)根据质量亏损根据质量亏损, ,利用爱因
24、斯坦质能方程利用爱因斯坦质能方程E=mcE=mc2 2计算计算核能。核能。根据核反应方程根据核反应方程, ,计算核反应前后的质量亏损计算核反应前后的质量亏损mm。根据爱因斯坦质能方程根据爱因斯坦质能方程E=mcE=mc2 2计算核能计算核能, ,其中其中mm的单位是的单位是千克千克,E,E的单位是焦耳。的单位是焦耳。(2)(2)利用原子质量单位利用原子质量单位u u和电子伏特计算结合能。和电子伏特计算结合能。明确原子质量单位明确原子质量单位u u和电子伏特间的关系和电子伏特间的关系: :1 u=1.660 6101 u=1.660 610-27-27kg,1 eV=1.602 17810kg,
25、1 eV=1.602 17810-19-19J J由由E=mcE=mc2 2得得E= eV=931.5 MeVE= eV=931.5 MeV根据根据1 1原子质量单位原子质量单位(u)(u)相当于相当于931.5 MeV931.5 MeV能量能量, ,用核子结合成用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV,931.5 MeV,即即E=m931.5 MeVE=m931.5 MeV。其中。其中mm的单位是的单位是u,Eu,E的单位是的单位是MeVMeV。【探究总结】【探究总结】核能的核能的计算方法算方法(1)(1)根据根据质量量亏亏损计算
26、。算。根据核反根据核反应方程方程, ,计算核反算核反应前和核反前和核反应后的后的质量量亏亏损mm。根据根据爱因斯坦因斯坦质能方程能方程E=mcE=mc2 2计算核能。其中算核能。其中mm的的单位位是千克是千克,E,E的的单位是焦耳。位是焦耳。(2)(2)利用原子利用原子质量量单位位u u和和电子伏特子伏特计算。算。E=m931.5MeVE=m931.5MeV。其中。其中mm的的单位是位是u,Eu,E的的单位是位是MeVMeV【即时训练】【即时训练】1.1.已知已知质子的子的质量是量是1.008665u1.008665u、中子的、中子的质量也是量也是1.008 665 1.008 665 u,u
27、,氢原子的原子的质量是量是1.007 825 u,1.007 825 u,碳原子的原子量是碳原子的原子量是12.000 000 12.000 000 u, 12u, 12个核子个核子结合成碳原子核合成碳原子核时, ,质量量亏亏损是是_,_,碳原子碳原子核的比核的比结合能是合能是_。( (已知已知1 u1 u相当于相当于931.5 MeV)931.5 MeV)【解【解题探究】探究】(1)(1)原子核的原子核的质量量亏亏损为核子的核子的总质量与量与_的的质量之差。量之差。(2)(2)比比结合能合能为结合能与合能与_之比。之比。原子核原子核核子数核子数【解析】【解析】碳原子可以看成是碳原子可以看成是
28、6 6个氢原子与个氢原子与6 6个中子结合而成个中子结合而成, ,质量亏损质量亏损: :m=61.007825u+61.008 665 u-12.000 000 um=61.007825u+61.008 665 u-12.000 000 u=0.098 940 u=0.098 940 u比结合能为比结合能为 =7.68 MeV =7.68 MeV。答案答案: :0.098940u0.098940u7.68 MeV7.68 MeV2. 2. 的的质量是量是3.016 050 u,3.016 050 u,质子的子的质量是量是1.007 277 u,1.007 277 u,中子中子的的质量是量是1.
29、008 665 u1.008 665 u。求。求: :(1)(1)一个一个质子和两个中子子和两个中子结合合为氚核核时, ,是吸收是吸收还是放出能量是放出能量? ?该能量能量为多少多少? ?(2)(2)氚核的核的结合能和平均合能和平均结合能各是多少合能各是多少? ?(3)(3)如果如果这些能量是以光子的形式放出些能量是以光子的形式放出, ,则光子的光子的频率是多少率是多少? ?【解析】【解析】(1)(1)一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程式是一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程式是 反应前各核子总质量为反应前各核子总质量为m mp p+2m+2mn n=1.007 277 u+21.008
30、 665 u=3.024 607 u,=1.007 277 u+21.008 665 u=3.024 607 u,反应后新核的质量为反应后新核的质量为m mH H=3.016 050 u,=3.016 050 u,质量亏损为质量亏损为m=3.016 050 u-3.024 607 u=-0.008 557 um=3.016 050 u-3.024 607 u=-0.008 557 u。因反应前的总质量大于反应后的总质量因反应前的总质量大于反应后的总质量, ,故此核反应为放能反故此核反应为放能反应。应。释放的核能为释放的核能为E=0.008 557931.5 MeV=7.97 MeVE=0.008 557931.5 MeV=7.97 MeV。(2)(2)氚核的结合能即为氚核的结合能即为E=7.97 MeV,E=7.97 MeV,它的平均结合能为它的平均结合能为 =2.66 MeV =2.66 MeV。(3)(3)放出光子的频率为放出光子的频率为= Hz=1.9210= Hz=1.92102121HzHz。答案答案: :(1)(1)放出能量放出能量7.97 MeV7.97 MeV(2)7.97 MeV(2)7.97 MeV2.66 MeV2.66 MeV(3)1.9210(3)1.92102121HzHz
