高中物理选修3-5-19.5核力和结合能-(共46张PPT)

导入新课氢原子电子云氢原子结构原子核式结构模型原子核式结构模型中子和质子构成原子核式结构模型，自从原子核式结构模型提出以后，有一个问题当时还未能得到合理额解释——在原子核那样狭小的空间里，带正电荷的质子为什么能挤在一起而不飞散呢？第十九章原子核第五节核力与结合能教学目标1、知识与技能知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用。知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小。理解结合能的概念，知道核反应中的质量亏损。知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系。2、过程与方法会根据质能方程和质量亏损的概念计算核反应中释放的核能。培养学生的理解能力、推理能力、及数学计算能力。3、情感态度与价值观使学生树立起实践是检验真理的标准、科学理论对实践有着指导和预见作用的能力。认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义。教学重难点重点质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解。难点结合能的概念、爱因斯坦的质能方程、质量与能量的关系。本节导航一、核力与四种基本相互作用力三、结合能二、原子核中质子和中子的比例四、能量亏损一、核力和四种相互作用力中子质子统称核子UHeH114223592XAZ（核）电荷数质量数1.原子核的组成10－15m元素符号核力及其性质核力mpmp库仑力库仑力万有引力万有引力核力核子靠什么力结合成原子核？原子核的半径为10-15m，只相当于原子半径的万分之一。在这么小的空间里带正电的质子和中子之间的库伦力是很大，万有引力太小，只有库伦力的10-36.而通常原子核式稳定的，于是核内还应有另一种力吧各种核子紧紧的拉在一起，这个就叫做核力。1、核力能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。2、核力具有的特点（1）核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。（2）核力是短程力。约在10-15m量级时起作用，距离大于0.8×10-15m时为引力，距离为10×10-15m时核力几乎消失，距离小于0.8×10-15m时为斥力。（3）核力具有饱和性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。（4）核力具有电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。3、四种基本相互作用力弱力、强力、电磁力、引力和分别在不同的尺度上发挥作用：①弱力（弱相互作用）：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因→短程力②强力（强相互作用）：在原子核内，强力将核子束缚在一起→短程力③电磁力：电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原了结合成分子，使分子结合成液体和固体。→长程力④引力：引力主要在宏观和宇观尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状。→长程力除核力外原子核内还存在弱相互作用（弱力）。弱力是引起中子－质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，力程比强力更短，为10-18m，作用强度则比电磁力小。二、原子核中质子和中子的比例随着原子序数的增加，稳定原子核中的中子数大于质子数。1、原子序数和重核、轻核原子核中的质子数又称为原子序数。周期表中比较靠后的元素对应的原子核叫重核，靠前的叫轻核。自然界中较轻的原子核，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。稳定核的质子数和中子数的关系核越来越大，有些核子间的距离越来越远。随着距离的增加，核力与电磁力都会减小，但核力减小得更快。所以，原子核大到一定程度时，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。这时，如果不再成对地增加核子，而只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，有助于维系原子核的稳定。由于这个原因，稳定的重原子核里，中子数要比质子数多。由于核力的作用范围是有限的，如果继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子也无济于事，这样的核必然是不稳定的。在宇宙演化的进程中，各种粒子有机会进行各种组合，但那些不稳定的组合很快就瓦解了，只有200多种稳定的原子核长久地留了下来。现在观察到的天然放射性元素，则正在瓦解之中。三、结合能由于核子间存在着强大的核力，原子核是一个坚固的集合体。要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，,或者需要巨大的能量。例如用强大的γ光子照射氘核，可以使它分解为一个质子和一个中子。nHHHHn101121211110分解:γ为光子，其能量≥2.2MeV，反应才能发生nHHHHn101121211110例如：结合:可见，由于核子间存在强大的核力，要把原子核拆散成核子，要克服核力做功，必须吸收一定的能量．反之，根据能量守恒，核子结合成原子核时，也会放出同样多的能量。这个能量叫做原子核的结合能。结合能可以以光子的形式放出来。结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把核子分开而需要的能量或者结合成原子核需要放出的能量。平均结合能：结合能与核子数之比。比结合能越大，表示原子核中核子。结合得越牢固，原子核越稳定。注意四、质量亏损质子与中子结合成氘核前后总质量的差异有什么变化呢？想一想HHn211110中子的质量=1.6749×10－27Kg质子的质量=1.6726×10－27Kg中子和质子的质量和=3.3475×10－27Kg氘核的质量=3.3436×10－27Kg质量差=0.0039×10－27Kg可见，核反应前后，总质量并不相等！1、质量亏损原子分解为核子时，质量增加；核子结合成原子核时，质量减少。原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，叫做质量亏损。例1、已知中子的质量是1.6749×10-27Kg，质子的质量是1.6726×10-27Kg氚核的质量是3.3436×10-27Kg求：氚核的比结合能。解：单个的中子和质子的质量和为3.3475×10-27Kg质量差=0.0039×10-27Kg质量差相对应的能量为：3.51×10-13J能量单位常常使用电子伏特1ev=1.6×10-19J氚核的比结合能为1.10Mev结论：以上等式确实成立，表明质量亏损与能量变化有着密切的联系对比爱因斯坦质能方程E=mc2核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm，与它们在互相结合过程中放出的能量是否存在某种对应关系呢？ΔEΔm·c2？动画：结合能课堂小结1、核力能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。2、核力具有的特点:（1）强力。（2）核力是短程力。（3）核力具有饱和性。（4）核力具有电荷无关性。3、四种基本相互作用力:弱力、强力、电磁力、引力4、原子序数和重核、轻核原子核中的质子数又称为原子序数。周期表中比较靠后的元素对应的原子核叫重核，靠前的叫轻核。核子间存在强大的核力，要把原子核拆散成核子，要克服核力做功，必须吸收一定的能量．反之，根据能量守恒，核子结合成原子核时，也会放出同样多的能量。这个能量叫做原子核的结合能。结合能可以以光子的形式放出来。比结合能越大，表示原子核中核子。结合得越牢固，原子核越稳定。5、质量亏损原子分解为核子时，质量增加；核子结合成原子核时，质量减少。原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，叫做质量亏损。质量亏损与能量变化有着密切的联系。高考链接1、（2000·全国理科综合·15）下面正确的说法是（）①β射线粒子和电子是两种不同的粒子②红外线的波长比X射线的波长长③α粒子不同于氮原子核④γ射线的贯穿本领比α粒子的强A.①②B.①③C.②④D.①④C2、（2003·江苏·1）下列说法中正确的是（）A.质子与中子的质量不等，但质量数相等B.两个质子之间，不管距离如何，核力总是大于库仑力C.同一种元素的原子核有相同的质量数，但中子数可以不同D.除万有引力外，两个中子之间不存在其它相互作用力A3.（1996·海南·2）在垂直于纸面的匀强磁场中，有一原来静止的原子核，该核衰变后，放出的带电粒子和反冲核的运动轨迹分别如图16-2所示中a、b，由图可以判定()A．该核反生的是α衰变B．该核发生的是β衰变C．磁场方向一定垂直纸面向里D．磁场方向向里还是向外无法判定BD解析：由左手定则，当粒子在磁场中反向运动，若两粒子电性相同，则所形成圆轨迹应外切，电性相反，则所形成的圆轨迹内切，由图知核与粒子电性相反，又因外冲核带正电。所以带电粒子应带负电，即核反应为β衰变，A错，B正确。不管磁场方向向里还是向外，电性相反的粒子轨迹都为内切圆，所以D正确。故选B、D。课堂练习1、关于质能方程，下列哪种说法是正确的()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C．某一定量的质量总是与一定量的能量相联系D．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BC2、已知氮核的质量为14.00735u，氧核的质量为17.00454u，氦核的质量为4.00387u，质子的质量为1.00815u，则核反应N＋He→O＋H是____________（填“释能”“吸能”）反应，能量变化了________________J。释能2.489×1022、裂变反应是目前核能利用中常用的反应。以原子核23592U为燃料的反应堆中，当23592U俘获—个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为23592U+10n→13954Xe+9438Sr+310n反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u为单位)。已知lu的质量对应的能量为9.3×102MeV，此裂变反应释放出的能量是MeV。1.82×102MeVB4、下列关于核反应的说法正确的是（）A．爱因斯坦的质能方程说明了物体质量就是能量，它们之间可以相互转化。B．由质能方程可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所含有的能量的量度。C．核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转化成的。D．因在核反应中产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的的总能量不守恒。教材习题解答1、答：（1）核反应涉及四种基本力中的强相互作用，化学反应涉及四种基本力中的电磁相互作用。（2）核反应改变了原子核，化学反应可以改变核外电子的排列，从而改变分子结构。2、答：根据质能关系可知，由于光速越大，我们通常看到的物体能量的变化量对应的质量的变化量很小，因此，我们觉察不到质量发生是变化。3、证明：将题中所给的数据带入质能方程得到E=931Mev4、解：1ug的质量对应的能量为E=9×107J载有学生的直升机升高的距离为1.02×103m