《高中物理 19.5 核力与结合能课件 新人教版选修35》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理 19.5 核力与结合能课件 新人教版选修35（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、5 核力与结合能1.1.了解四种基本相互作用，知道核力的特点了解四种基本相互作用，知道核力的特点. .2.2.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算算. .3.3.能简单解释轻核和重核内中子数、质子数具有不同比例的原能简单解释轻核和重核内中子数、质子数具有不同比例的原因因. . 重点：重点：1.1.理解核力的特点理解核力的特点. . 2. 2.结合能、质量亏损和质能方程结合能、质量亏损和质能方程. .难点：难点：1.1.原子核中质子和中子的比例问题原子核中质子和中子的比例问题. . 2. 2.结合能和比结合能的概念结合能和比结
2、合能的概念. .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.核力核力原子核内原子核内_之间的相互作用力之间的相互作用力. .2.2.核力的特点核力的特点(1)(1)核力是强相互作用的一种表现，在原子核内，核力比库仑核力是强相互作用的一种表现，在原子核内，核力比库仑力力_._.(2)(2)核力是短程力，作用范围在核力是短程力，作用范围在_之内之内. .(3)(3)核力的饱和性：每个核子只跟核力的饱和性：每个核子只跟_的核子发生核力作用的核子发生核力作用. .核子核子大得多大得多1.51.51010-15-15 m m邻近邻近3.3.四种基本相互作用四种基本相互作用四四种种基基本本
3、相相互互作作用用短程力短程力强相互作用强相互作用弱相互作用弱相互作用长程力长程力电磁力电磁力万有引力万有引力弱相互作用的力程比强力弱相互作用的力程比强力更短更短，为，为l0l0-18-18m m在相同距离上，在相同距离上，电磁力电磁力大大约比约比万有引力万有引力强强10103535倍倍【判一判【判一判】(1)(1)原子核中粒子所受的万有引力和电磁力可以达到平衡原子核中粒子所受的万有引力和电磁力可以达到平衡.( ).( )(2)(2)核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大.( ).( )(3)(3)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
4、因衰变的原因.( ).( )提示：提示：(1)(1)万有引力比电磁力小得多，无法达到平衡万有引力比电磁力小得多，无法达到平衡. .(1)(1)错误错误. .(2)(2)核力是短程力核力是短程力. .核力只有在原子核的尺度内比库仑力大核力只有在原子核的尺度内比库仑力大.(2).(2)错错误误. .(3)(3)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.(3).(3)正确正确. .二、原子核中质子与中子的比例和结合能二、原子核中质子与中子的比例和结合能1.1.轻原子核和重原子核轻原子核和重原子核(1)(1)较轻原子核：质子数和中子数较轻原子核：质子数和中子数_._.(2)(2
5、)较重原子核：中子数较重原子核：中子数_质子数，越重的原子核两者相差质子数，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2.2.结合能和比结合能结合能和比结合能(1)(1)结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起的，要把它们结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起的，要把它们分开，需要分开，需要_，这就是原子核的结合能，这就是原子核的结合能. .(2)(2)比结合能：原子核的结合能与比结合能：原子核的结合能与_之比称为比结合能之比称为比结合能. .比结合能越大，表示原子核中核子结合得越比结合能越大，表示原子核中核子结合得越_，原子核越，原子核越_，_的核的比结合能最大、最稳定的核的比
6、结合能最大、最稳定. .能量能量核子数核子数牢固牢固稳定稳定中等大小中等大小【想一想【想一想】原子核的结合能是不是核力将核子结合在一起需要原子核的结合能是不是核力将核子结合在一起需要的能量？的能量？提示：提示：不是，结合能不是核子结合成原子核需要的能量，而是不是，结合能不是核子结合成原子核需要的能量，而是把核子分开而需要的能量把核子分开而需要的能量. .三、质能方程和质量亏损三、质能方程和质量亏损1.1.爱因斯坦质能方程爱因斯坦质能方程_._.2.2.质量亏损：原子核的质量质量亏损：原子核的质量_组成它的核子的质量之和的组成它的核子的质量之和的现象现象. .E=mcE=mc2 2小于小于【想一
7、想【想一想】有人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认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？识对不对？提示：提示：不对不对. .在核反应中质量数守恒即核子的个数不变，只是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，仿佛变核子组成原子核时，仿佛变“轻轻”了一些，原子核的质量总是了一些，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没有变化. . 原子核中质子与中子的比例原子核中质子与中子的比例【探究导引【探究导引】如图表示的是稳定的原子核中质子数与中子数的关系，思考以如图表示的
8、是稳定的原子核中质子数与中子数的关系，思考以下问题：下问题：(1)(1)原子核中的质子数与中子数一定相等吗？原子核中的质子数与中子数一定相等吗？(2)(2)为什么重原子核的质子数与中子数的比例与轻原子核不同为什么重原子核的质子数与中子数的比例与轻原子核不同？【要点整合【要点整合】 1.1.核子比例关系：较轻的原子核质子数与中子数大致相等，但核子比例关系：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，越重的原子核，两者相对于较重的原子核中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多差越多. .2.2.形成原因形成原因(1)(1)若质子与中子成对地人工构建原子核，随原子核的
9、增大，核若质子与中子成对地人工构建原子核，随原子核的增大，核子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快. .所以当原子核增大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不所以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足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了. .(2)(2)若只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互若只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原
10、子核中子数要比质子数多子核中子数要比质子数多. .(3)(3)由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再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到其间根本没有核力的作增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的. . 【特别提醒【特别提醒】(1)(1)核力是短程力核力是短程力, ,只有相邻核子间才存在核力只有相邻核子间才存在核力. .(2)(2)稳定的重原子核里稳定的重原子核里, ,中子数要比质子数多中子数要比质子数多, ,由于核力具有饱由于核
11、力具有饱和性和性, ,导致原子核大小也受到限制导致原子核大小也受到限制. .【典例【典例1 1】关于原子核中质子和中子的说法，正确的是】关于原子核中质子和中子的说法，正确的是( )( )A.A.原子核中质子数和中子数一定相等原子核中质子数和中子数一定相等B.B.稳定的重原子核里，质子数比中子数多稳定的重原子核里，质子数比中子数多C.C.原子核都是非常稳定的原子核都是非常稳定的D.D.由于核力的作用范围是有限的，核力具有饱和性，不可能无节制由于核力的作用范围是有限的，核力具有饱和性，不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在地增大原子核而仍稳定存在【思路点拨【思路点拨】解答本题应明确以下两点：解答本题
12、应明确以下两点：关键点关键点(1)(1)轻核中质子数与中子数大致相等，重核中中子数大于质子数轻核中质子数与中子数大致相等，重核中中子数大于质子数. .(2)(2)由于核力是短程力，原子核的大小有一定的限制由于核力是短程力，原子核的大小有一定的限制. .【规范解答【规范解答】选选D.D.由稳定核的质子数与中子数的关系图象可知，由稳定核的质子数与中子数的关系图象可知，质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多，故质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多，故A A、B B错误；原错误；原子核可以发生衰变，故子核可以发生衰变，故C C错误；由核力作用特点可知，核子数越多错误；由核力作用特点可知，核子数越
13、多的原子核越不稳定，故的原子核越不稳定，故D D正确正确. . 结合能与比结合能的理解结合能与比结合能的理解【探究导引【探究导引】由于核子间存在着巨大的核力作用，所以原子核是一个坚固的由于核子间存在着巨大的核力作用，所以原子核是一个坚固的集体集体. .要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，需要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，需要巨大的能量要巨大的能量. .例如一个氘核被拆成一个中子和一个质子时，例如一个氘核被拆成一个中子和一个质子时，需要能量等于或大于需要能量等于或大于2.2 MeV2.2 MeV，可用，可用光子照射获得光子照射获得. .核反应方核反应方程为程为+2 21
14、1H H1 11 1H+H+1 10 0n.n.思考以下问题：思考以下问题：(1)(1)氘核分解成质子和中子需要吸收能量还是氘核分解成质子和中子需要吸收能量还是放出能量？放出能量？(2)(2)结合能和平均结合能之间存在什么关系？结合能和平均结合能之间存在什么关系？(3)(3)平均结合能和原子核的稳定程度有什么关系？平均结合能和原子核的稳定程度有什么关系？【要点整合【要点整合】 1.1.结合能结合能要把原子核分开成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出要把原子核分开成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量的能量. .2.2.比结合能比结合能等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比值，它
15、反映了原子等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比值，它反映了原子核的稳定程度核的稳定程度. .3.3.比结合能曲线：不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图比结合能曲线：不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图所示所示. .从图中可看出，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的从图中可看出，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小比结合能都比中等质量的原子核要小. .【特别提醒【特别提醒】(1)(1)结合能不是核子结合成原子核需要的能量，结合能不是核子结合成原子核需要的能量，而是将原子核的核子拆开时需要的能量而是将原子核的核子拆开时需要的能量. .(2)(
16、2)比结合能比结合能更有意义，它反映了原子核结合的稳定比结合能比结合能更有意义，它反映了原子核结合的稳定程度或分裂的难易程度程度或分裂的难易程度. . 【典例【典例2 2】(2012(2012杭州高二检测杭州高二检测) )对结合能、比结合能的认识，对结合能、比结合能的认识，下列正确的是下列正确的是( )( )A.A.核子结合为原子核时，一定释放能量核子结合为原子核时，一定释放能量B.B.核子结合为原子核时，可能吸收能量核子结合为原子核时，可能吸收能量C.C.结合能越大的原子核越稳定结合能越大的原子核越稳定D.D.比结合能越大的原子核越稳定比结合能越大的原子核越稳定【思路点拨【思路点拨】解答此题
17、需明确两个方面：解答此题需明确两个方面：关键点关键点(1)(1)核子结合为原子核时，核力做正功，原子核将获得的能量核子结合为原子核时，核力做正功，原子核将获得的能量释放出来释放出来. .(2)(2)比结合能反映了原子核结合的稳定程度比结合能反映了原子核结合的稳定程度. .【规范解答【规范解答】选选A A、D.D.由自由核子结合成原子核的过程中，核由自由核子结合成原子核的过程中，核力做正功，释放出能量力做正功，释放出能量. .反之，将原子核分开变为自由核子，反之，将原子核分开变为自由核子，它需要赋予相应的能量，该能量即为结合能，故它需要赋予相应的能量，该能量即为结合能，故A A正确，正确，B B
18、错误；错误；对核子较多的原子核的结合能越大，但它的比结合能不一定大，对核子较多的原子核的结合能越大，但它的比结合能不一定大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性，故比结合能的大小反映了原子核的稳定性，故C C错误，错误，D D正确正确. .【总结提升【总结提升】结合能、比结合能的对比理解结合能、比结合能的对比理解(1)(1)核子结合成原子核时一定释放能量，原子核分开成核子时核子结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吸收或释放的能量越大，表明原子核的结合能越大越大. .(2)(2)比结合能为结合能与核子数的比值，比结合能
19、越大表明原比结合能为结合能与核子数的比值，比结合能越大表明原子核越稳定子核越稳定. .一般情况下，中等质量的原子核比轻核和重核的一般情况下，中等质量的原子核比轻核和重核的比结合能大比结合能大. . 核能的计算核能的计算【探究导引【探究导引】爱因斯坦狭义相对论中的质能方程给出了核能的计算方法爱因斯坦狭义相对论中的质能方程给出了核能的计算方法针对上式思考以下问题：针对上式思考以下问题：(1)(1)什么是质量亏损现象？什么是质量亏损现象？(2)(2)物体的质量和能量之间存在什么关系？物体的质量和能量之间存在什么关系？(3)(3)怎样计算核能？怎样计算核能？【要点整合【要点整合】 1.1.质量亏损质量
20、亏损(1)(1)科学家研究证明在核反应中原子核的总质量并不相等，例科学家研究证明在核反应中原子核的总质量并不相等，例如精确计算表明：氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之如精确计算表明：氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些，这种现象叫做质量亏损，质量亏损只有在核反应和要小一些，这种现象叫做质量亏损，质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来中才能明显地表现出来. .(2)m(2)m是核反应前与核反应后的质量之差是核反应前与核反应后的质量之差. .2.2.质能方程质能方程E Emcmc2 2爱因斯坦指出，物体的能量爱因斯坦指出，物体的能量(E)(E)和质量和质量(m)(m)之间存在着密
21、切的关之间存在着密切的关系，即系，即E Emcmc2 2，式中，式中 c c为真空中的光速为真空中的光速. .爱因斯坦质能方程表明：爱因斯坦质能方程表明：物体所具有的能量跟它的质量成正比物体所具有的能量跟它的质量成正比. .由于由于c c2 2这个数值十分巨大，这个数值十分巨大，因而物体的能量是十分可观的因而物体的能量是十分可观的. .3.3.核反应中由于质量亏损而释放的能量核反应中由于质量亏损而释放的能量E=mcE=mc2 2从爱因斯坦质能方程同样可以得出，物体的能量变化从爱因斯坦质能方程同样可以得出，物体的能量变化EE与物与物体的质量变化体的质量变化mm的关系：的关系：E=mcE=mc2
22、2. .【特别提醒【特别提醒】物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量，只是静止质量的减少并不是这部分质量消失或转变为能量，只是静止质量的减少. .减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量，在核反应减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量，在核反应中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律. .【典例【典例3 3】镭核】镭核2262268888RaRa发生衰变放出一个粒子变为氡核发生衰变放出一个粒子变为氡核2222228686Rn.Rn.已已知镭核质量为知镭核质量为226.025
23、4 u226.025 4 u，氡核质量为，氡核质量为222.016 3 u,222.016 3 u,放出粒放出粒子质量为子质量为4.002 6 u.4.002 6 u.(1)(1)写出核反应方程写出核反应方程. .(2)(2)求镭核衰变放出的能量求镭核衰变放出的能量. .【思路点拨【思路点拨】求解此题应把握以下两点：求解此题应把握以下两点：关键点关键点(1)(1)根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程. .(2)(2)根据质能方程根据质能方程EEmcmc2 2计算核能计算核能. .【规范解答【规范解答】(1)(1)核反应核反应( (衰变衰变) )方程为
24、：方程为：2262268888RaRa2222228686Rn+Rn+4 42 2He.He.(2)(2)镭核衰变放出的能量为：镭核衰变放出的能量为：EEmcmc2 2=m=m931.5 MeV931.5 MeV(226.025 4-4.002 6-222.016 3)(226.025 4-4.002 6-222.016 3)931.5 MeV931.5 MeV6.05 MeV6.05 MeV答案答案: :(1)(1)2262268888RaRa2222228686Rn+Rn+4 42 2He (2)6.05 MeVHe (2)6.05 MeV【温馨提示【温馨提示】核能的计算是近几年高考的热点
25、问题，主要考查核能的计算是近几年高考的热点问题，主要考查质量亏损、质能方程的应用质量亏损、质能方程的应用. .有时结合核反应方程，并应用原有时结合核反应方程，并应用原子质量单位进行计算子质量单位进行计算. .【典例【典例】3 31 1H H的质量是的质量是3.016 050 u3.016 050 u，质子的质量是，质子的质量是1.007 277 u,1.007 277 u,中子的质量是中子的质量是1.008 665 u.1.008 665 u.则：则：(1)(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？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？该能量为多少？
26、(2)(2)氚核的结合能和比结合能各是多少？氚核的结合能和比结合能各是多少？(3)(3)如果这些能量是以光子形式放出的，则光子的频率是多少？如果这些能量是以光子形式放出的，则光子的频率是多少？考查内容考查内容 结合核反应方程计算核能结合核反应方程计算核能【思路点拨【思路点拨】解答本题可以按以下思路分析：解答本题可以按以下思路分析：关键点关键点(1)(1)根据质量数和电荷数守恒写出核反应方程式，即根据质量数和电荷数守恒写出核反应方程式，即1 11 1H+2H+21 10 0n n 3 31 1H.H.(2)(2)根据质量单位为根据质量单位为u u，确定核能的计算方法，确定核能的计算方法. .【规
27、范解答【规范解答】(1)(1)一个质子和两个中子结合成氚核的核反应方程式一个质子和两个中子结合成氚核的核反应方程式是是1 11 1H+2H+21 10 0n n3 31 1H H，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 n1.007 277 u+ 1.007 277 u+ 2 21.008 665 u1.008 665 u3.024 607 u3.024 607 u反应后新核的质量为反应后新核的质量为m mH H3.016 050 u3.016 050 u质量亏损为质量亏损为mm3.024 607 u-3.016 050 u3.024 607 u-3.016 05
28、0 u0.008 557 u0.008 557 u因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应为放出能量因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应为放出能量的反应的反应. .释放的核能为释放的核能为EEmm931.5 MeV=0.008 557931.5 MeV=0.008 557931.5 MeV931.5 MeV=7.97 MeV=7.97 MeV(2)(2)氚核的结合能即为氚核的结合能即为EE7.97 MeV7.97 MeV它的比结合能为它的比结合能为 2.66 MeV2.66 MeV(3)(3)放出光子的频率为放出光子的频率为答案答案: :(1)(1)释放核能释放核能 7.97
29、MeV7.97 MeV(2)7.97 MeV 2.66 MeV(2)7.97 MeV 2.66 MeV (3)1.92 (3)1.9210102121 Hz Hz 核能的计算应注意的问题核能的计算应注意的问题爱因斯坦指出了物体的能量与它的质量的关系爱因斯坦指出了物体的能量与它的质量的关系E=mcE=mc2 2；在核反应；在核反应过程中，确定了质量亏损，就可以计算核反应吸收或放出的能过程中，确定了质量亏损，就可以计算核反应吸收或放出的能量量. .计算核能时应注意以下三点：计算核能时应注意以下三点：(1)(1)若以若以kgkg为质量亏损为质量亏损mm的单位，则计算时应用公式的单位，则计算时应用公式
30、E=mcE=mc2 2. .(2)(2)若以原子单位若以原子单位“u u”为质量亏损单位，则为质量亏损单位，则E=mE=m931.5 MeV931.5 MeV. .(3)(3)两种方法计算的核能的单位分别为两种方法计算的核能的单位分别为“J J”和和“MeVMeV”，1 MeV1 MeV=1=110106 61.61.61010-19-19 J=1.6 J=1.61010-13-13 J J【案例展示】雷蒙德【案例展示】雷蒙德戴维斯因研究来自太阳的电子中微子戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(e e) )而获得了而获得了20022002年度诺贝尔物理学奖，他探测中微子所用的探测年度诺贝尔物理学奖
31、，他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满器的主体是一个贮满615 t615 t四氯乙烯四氯乙烯(C(C2 2ClCl4 4) )溶液的巨桶，电子溶液的巨桶，电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为e e+ +37371717ClCl37371818Ar+Ar+0 0-1-1e,e,已知已知37371717ClCl核的质量为核的质量为36.956 58 u,36.956 58 u,37371818ArAr核的质量为核的质量为36.956 91 u,36.956 91 u,0 0-1-1e e的质量为的质量为0.000 55 u
32、,1 u0.000 55 u,1 u质量对应质量对应的能量为的能量为931.5 MeV931.5 MeV. .根据以上数据，可以判断参与上述反应的根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为电子中微子的最小能量为( )( )A.1.33 MeV B.0.82 MeVA.1.33 MeV B.0.82 MeVC.0.51 MeV D.0.31 MeVC.0.51 MeV D.0.31 MeV【规范解答【规范解答】选选B.B.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，则能量，则E=mE=m931.5 MeV931.5 MeV=(36.956 91+0.000 55-=(36.956 91+0.000 55-36.956 58)36.956 58)931.5 MeV=0.82 MeV931.5 MeV=0.82 MeV. .【易错分析【易错分析】本题易错选项及错误原因分析如下：本题易错选项及错误原因分析如下：易错选项易错选项错误原因错误原因C C 将核反应中放出的电子的质量当作质量亏损将核反应中放出的电子的质量当作质量亏损 D D 计算质量亏损时，忽略了电子的质量计算质量亏损时，忽略了电子的质量
