2019-2020学年高中物理 第十九章 原子核 5 核力与结合能课件 新人教版选修3-5

5核力与结合能学习目标素养提炼1.了解四种基本相互作用，知道核力的性质．2.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．3.知道原子核的结合能和比结合能的概念．4.知道什么是质量亏损，能应用质能方程进行计算.物理观念：核力、结合能、比结合能、质量亏损．科学思维：利用质能方程解决原子核衰变问题．科学探究：结合能、比结合能与原子核的稳定性的关系.01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、核力与四种基本相互作用1．核力的定义原子核内之间的相互作用力．2．核力的特点(1)核力是强相互作用(强力)的一种表现．在原子核内，核力比库仑力(2)核力是短程力，作用范围在之内．(3)核力的饱和性每个核子只跟的核子发生核力作用．核子大得多1.5×10－15m邻近3．四种基本相互作用[判断辨析](1)原子核中粒子所受的万有引力和电磁力可以达到平衡．()(2)核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大．()(3)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因．()××√二、原子核中质子与中子的比例和结合能1．轻原子核和重原子核(1)较轻原子核：质子数和中子数．(2)较重原子核：中子数质子数，越重的元素，两者相差越多．2．结合能和比结合能(1)结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，需要，这就是原子核的结合能．(2)比结合能：原子核的结合能与之比被称为比结合能．比结合能越大，原子核中核子结合得越，原子核越．的核的比结合能最大、最稳定．大致相等大于能量核子数牢固稳定中等大小[思考]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？提示：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．三、质能方程和质量亏损1．爱因斯坦质能方程：.2．质量亏损：原子核的质量组成它的核子的质量之和的现象．3．亏损的质量与释放的能量间的关系：.E＝mc2小于ΔE＝Δmc2[思考]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？提示：不对．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“轻”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，核子的个数并没有变化.要点一根据核力的性质解释原子核的稳定性[探究导入]如图为31H和32He的原子核结构示意图．(1)质子都带正电，质子与质子之间存在着库仑斥力，为什么32He还能稳定地存在？(2)自然界中存在的元素是有限的，为什么质子与中子不能随意地组合从而形成无数不同的原子核？提示：(1)核子之间还存在着核力作用．(2)当核子增多时，原子核增大，核子间的距离也增大，当距离较大时，一些核子间可能就没有核力的作用了，这样形成的核不稳定，最终会瓦解．因此质子与中子不能随意地组合形成无数不同的原子核．1．核力的性质(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数量级时起作用，距离大于0.8×10－15m时为引力，距离小于0.8×10－15m时为斥力．距离超过1.5×10－15m时核力几乎消失．(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．核力与核子电荷无关．2．原子核中质子与中子的比例关系(1)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，两者相差越多．(2)形成原因①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．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．②若只增加中子，因为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，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多．③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用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的．[典例1]关于质子和中子的说法，正确的是()A．原子核中质子数和中子数一定相等B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多C．原子核都是非常稳定的D．对于较重的原子核，由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果继续增大原子核，形成的核也一定是不稳定的[解析]自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，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．因此正确答案选D.[答案]D1．对原子核的组成，下列说法正确的是()A．核力可使一些中子组成原子核B．核力可使较多的质子组成原子核C．不存在只有质子的原子核D．质量较大的原子核内一定有中子解析：由于原子核带正电，不存在只有中子的原子核，但核力也不能把较多的质子聚集在一起组成原子核，原因是核力是短程力，质子之间还存在“长程力”库仑力，A、B错误；自然界中存在一个质子的原子核11H，C错误；较大质量的原子核内只有存在一些中子，才能平衡库仑力，维系原子核的稳定，故D正确．答案：D2．(多选)关于核力，下列说法中正确的是()A．核力是一种特殊的万有引力，存在于原子核内所有的核子间B．原子核内只有相邻的两个核子间才有核力作用C．核力是原子核能稳定存在而不“分崩离析”的原因D．核力是一种短程强相互作用力，其作用的范围仅在1.5×10－15m内解析：核力是仅存在于相邻核子间的短程强相互作用力，而万有引力在任何有质量的物体间都存在，且远小于核力，A错误，B、D正确；因为有了强大的核力平衡了原子核内质子间的库仑力，才使原子核稳定存在，C正确．答案：BCD要点二质量亏损与质能方程[探究导入]如图所示是原子核转变示意图．(1)在核反应过程中质量数、核电荷数是否守恒？(2)在该核反应过程中会释放出能量，反应前后原子核的质量是否会发生变化？提示：(1)在核反应中，质量数、核电荷数是守恒的．(2)会发生变化，是减少的．1．质量亏损(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，这种现象叫作质量亏损，质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来．(2)Δm是核反应前与核反应后的质量之差．2．对质能方程E＝mc2本质的理解爱因斯坦质能方程反映的是质量亏损和释放出核能这两种现象之间的联系，并不表示质量和能量之间的转变关系．对于质量亏损，不能理解为质量变成了能量，质能方程的本质是：(1)质量或能量是物质的属性之一，绝不能把物质和它们的某一属性(质量和能量)等同起来．(2)质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，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绝不等于这两个量可以相互转化．(3)质量亏损不是否定了质量守恒定律．根据爱因斯坦的相对论，辐射出的γ光子静质量虽然为零，但它有动质量，而且这个动质量刚好等于亏损的质量，所以质量守恒、能量守恒仍成立．3．核反应中由于质量亏损而释放的能量ΔE＝Δmc2从爱因斯坦质能方程同样可以得出，物体的能量变化ΔE与物体的质量变化Δm的关系ΔE＝Δmc2.4．判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法根据反应前后质量的变化情况进行判断，若质量减少即发生了质量亏损，则释放能量；若质量增加，则吸收能量．[典例2]用中子轰击锂核(63Li)发生核反应，产生氚和α粒子并放出4.8MeV的能量．(1)写出核反应方程式；(2)求上述反应中放出的能量对应的质量(保留两位有效数字)；(3)若中子与锂核是以等大反向的动量相碰，则α粒子和氚的动能之比是多少？[解析](1)63Li＋10n→31H＋42He(2)Δm＝ΔEc2＝4.8×106×1.6×10－193×1082kg≈8.5×10－30kg(3)设m1、m2、v1、v2分别为氦核、氚核的质量和速度，由动量守恒定律得0＝m1v1＋m2v2氦核、氚核的动能之比Ek1∶Ek2＝m1v122m1∶m2v222m2＝m2∶m1＝3∶4[答案](1)见解析(2)8.5×10－30kg(3)3∶43．(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ΔE＝Δmc2进行计算，所以选项B、D正确．答案：BD4．取质子的质量mp＝1.6726×10－27kg，中子的质量mn＝1.6749×10－27kg，α粒子的质量mα＝6.6467×10－27kg，光速c＝3.0×108m/s.请计算α粒子的结合能．(计算结果保留两位有效数字)解析：α粒子由两个质子和两个中子组成，根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2可得ΔE＝(2mp＋2mn－mα)c2≈4.3×10－12J.答案：4.3×10－12J比结合能与原子核稳定性的关系1．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．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．2．比结合能与原子核稳定性的关系(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，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定．(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，就可释放核能．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．5．下列关于结合能和比结合能的说法中，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．比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，重核的结合能和比结合能都大D．中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大解析：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；比结合能越大的原子核越稳定，但比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比结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核小，B、C选项错误；中等质量原子核的比结合能比轻核的大，它的核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，D选项正确．答案：D1．(核力的特点)(多选)关于核力，下列说法中正确的是()A．核力是一种特殊的万有引力B．原子核内只有质子和质子间有核力作用，而中子和中子之间、质子和中子之间则没有核力作用C．核力是原子核稳定存在的原因D．核力是一种短程强力作用解析：核力与万有引力、库仑力的性质不同，核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m，原子核的半径数量级在10－15m，所以核力只存在于相邻的核子之间；核力是原子核稳定存在的原因，故选C、D.答案：CD2．(对质能方程的理解)对公式ΔE＝Δmc2，下列说法正确的是()A．能量可以转化为质量B．质量可以转化为能量C．能量的转化与质量的转化是成比例的D．在核反应中，能量与质量都不守恒解析：ΔE＝Δmc2只说明质量亏损和释放出核能这两种现象间的联系，并不是说明物体的质量和能量之间存在着相互转化关系，故A、B错误，C正确．在核反应中，能量和质量并不违反守恒定律，故D错误．答案：C3．(对结合能和比结合能的理解)(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．比结合能越大，原子核越不稳定解析：结合能是把