2017-2018学年高中物理第5章核能与社会5.1核能来自何方学案沪科版

5．1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、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]核力及特点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：(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10－15m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呢？答案质子和中子结合成原子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释放的能量，或原子核分解成核子时吸收的能量叫原子核的结合能．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、质量亏损和核能的计算[导学探究]1．用α粒子轰击铍(94Be)核发现中子的核反应方程94Be＋42He→126C＋10n甲同学说：核反应过程中核子数没变，所以质量是守恒的；乙同学查找资料，各个原子核或核子的质量如下：mBe＝9.01219u，mC＝12.000u，mα＝4.0026u，mn＝1.008665u．(其中1u＝1.660566×10－27kg)，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．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？答案反应前的总质量m1＝mBe＋mα＝9.01219u＋4.0026u＝13.01479u反应后的总质量m2＝mC＋mn＝12.0000u＋1.008665u＝13.008665u所以质量亏损Δm＝m1－m2＝13.01479u－13.008665u＝0.006125u.放出的能量ΔE＝Δmc2＝0.006125uc2＝0.006125×1.660566×10－27×(3×108)2J＝9.15×10－13J＝5.719MeV.[知识梳理]1．质能方程爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是E＝mc2.2．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，则总能量随之增加；质量减少，则总能量也随之减少．这时质能方程也写作ΔE＝Δmc2.一、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，例如中等质量原子核的平均结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核小，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．针对训练一个中子与某原子核发生核反应，生成一个氘核，其核反应方程为______________，该反应放出的能量为Q，则氘核的平均结合能为__________．答案10n＋11H→21HQ2解析核反应方程10n＋11H→21H，核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫原子核的结合能，它的结合能与核子数之比称做平均结合能，由题意知氘核的核子数为2，所以平均结合能为Q2.1．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．根据质量亏损计算根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损Δm.根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能．其中Δm的单位是千克，ΔE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u＝1.6606×10－27kg,1eV＝1.602178×10－19J由E＝mc2得E＝1.6606×10－27×2.9979×10821.602178×10－19eV＝931.5MeV根据1原子质量单位(u)相当于931.5MeV的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5MeV.其中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV.例2下列说法中，正确的是()A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体质量作为它所蕴藏的能量的量度C．核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变为能量D．因为在核反应中能产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒答案B解析E＝mc2说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，但并不说明能量和质量之间存在相互转化的关系，故A错误，B正确；核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变成能量，故C错误；在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，在核反应前后只是物质由静质量变成动质量，故D错误．例331H的质量是3.016050u，质子的质量是1.007277u，中子的质量为1.008665u．求：(质量亏损1u相当于释放931.5MeV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)氚核的结合能和平均结合能各是多少？答案(1)放出7.97MeV(2)7.97MeV2.66MeV解析(1)一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程式是11H＋210n―→31H，反应前各核子总质量为mp＋2mn＝(1.007277＋2×1.008665)u＝3.024607u，反应后新核的质量为mH＝3.016050u，质量亏损为Δm＝(3.024607－3.016050)u＝0.008557u.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ΔE＝0.008557×931.5MeV≈7.97MeV.(2)氚核的结合能即为ΔE＝7.97MeV，它的平均结合能为ΔE3≈2.66MeV.1．下列关于核力的说法正确的是()A．核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10－15m之内D．核力与电荷有关答案C解析核力是短程力，超过10－15m，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．(多选)关于原子核中质子和中子的比例，下列说法正确的是()A．原子核中质子和中子的个数一定相等B．稳定的重原子核里，中子数要比质子数多C．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D．质子和中子可以组合成任意稳定的核答案BC3．(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α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(13355Cs)的结合能小于铅原子核(20882Pb)的结合能D．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能答案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α粒子和另一原子核，存在质量亏损，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；自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，选项D错误．4．一个锂核(73Li)受到一个质子的轰击，变成两个α粒子．已知质子的质量是1.6736×10－27kg，锂核的质量是11.6505×10－27kg，氦核的质量是6.6466×10－27kg.(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)73Li＋11H→242He(2)2.781×10－12J解析(1)73Li＋11H→242He(2)核反应的质量亏损Δm＝mLi＋mp－2mα＝(11.6505×10－27＋1.6736×10－27－2×6.6466×10－27)kg＝3.09×10－29kg释放的能量ΔE＝Δmc2＝3.09×10－29×(3×108)2J＝2.781×10－12J一、选择题(1～8题为单选题，9～10题为多选题)1．下列对核力的认识正确的是()A．任何物体之间均存在核力B．核力广泛存在于自然界中的核子之间C．核力只存在于质子之间D．核力只发生在相距1.5×10－15m内的核子之间，大于0.8×10－15m为吸引力，而小于0.8×10－15m为斥力答案D解析由核力的特点知道，只有相距1.5×10－15m内的核子之间才存在核力，核力发生在质子