2019-2020学年高中物理 第4章 第4节 核力与结合能课件 粤教版选修3-5

第四章原子核第四节核力与结合能[学习目标]1.知道核力的概念与特点．(重点)2.会解释轻核与重核内中子数、质子数具有不同比例的原因.3.理解结合能与平均结合能的概念，知道核反应中的质量亏损．(重点)4.知道爱因斯坦质能方程，理解质量与能量的关系，能进行基本的核能计算．(难点)自主预习探新知一、核力及其性质、重核与轻核1．核力(1)定义：组成原子核的之间有很强的相互作用力，使能够克服而紧密地结合在一起，这种力称为核力．(2)特点：核力是一种很强的力，在约0.5×10－15m～2×10－15m的距离内主要表现为，在小于0.5×10－15m的距离内表现为强大的，大于2×10－15m核力就迅速减小到，所以核力是一种力．核子短程零引力库仑斥力核子斥力2．重核和轻核排在周期表比较靠的元素对应的原子核叫做重核；排在比较靠的叫轻核．一、核力及其性质、重核与轻核后前二、结合能1．两个典型核反应方程(1)用γ光子照射氘核，使它分解的核反应方程为：γ＋21H→＋(2)一个中子和一个质子结合成氘核的核反应方程为：11H＋10n→＋(3)由于核子间存在强大的核力，要把原子核拆散成核子，需要克服做功，也就是要提供一定的核力能量．21H11Hγ10n二、结合能2．结合能：核子结合成时也会放出一定的能量．这个能量叫做原子核的结合能．3．平均结合能：原子核的结合能与之比叫平均结合能．4．爱因斯坦质能方程：ΔE＝Δmc2.原子核核子数1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)核力有时表现为引力，有时表现为斥力．()(2)原子核中的中子数又称为原子序数．()(3)氘核分解为质子和中子时，要放出能量．()×√×(4)结合能反映了一个原子核结合的紧密程度，结合能越大，原子核越稳定．()(5)由于核反应存在质量亏损，所以反应前后质量不守恒，但能量是守恒的．()××2．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1.5×10－15m之内D．核力与电荷有关C[核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内，超过1.5×10－15m，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．]3．为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”．对于爱因斯坦提出的质能方程E＝mc2，下列说法中不正确的是()A．E＝mc2表明物体具有的能量与其质量成正比B．根据ΔE＝Δmc2可以计算核反应中释放的核能C．一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损D．E＝mc2中的E是发生核反应中释放的核能D[质能方程E＝mc2中的E表示物体具有的总能量，m表示物体的质量．故A说法正确，D说法错误；对于ΔE＝Δmc2表示的意义是当物体的能量增加或减小ΔE时，它的质量也会相应地增加或减少Δm，故B说法正确；只有出现质量亏损时，才能释放核能，故C说法正确．所以选D.]合作探究攻重难核力及其性质1.四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用(1)引力相互作用：引力主要在宏观和宏观尺度上“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．万有引力是长程力．(2)电磁相互作用：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，使原子结合成分子，使分子结合成液体和固体．(3)强力：即强相互作用，在原子核内，强力将核子束缚在一起，强力是短程力．(4)弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因．弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为10－18m，作用强度则比电磁力小．2．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，距离大于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．3．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．【例1】关于原子核中质子和中子的说法，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．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思路点拨：解答本题时应注意以下两点：(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．(2)由于核力是短程力，原子核的大小有一定的限制．D[由稳定核的质子数与中子数的关系图像可知，质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多，故A、B错误；原子核可以发生衰变，故C错误；由核力作用特点可知，核子数越多的原子核越不稳定，故D正确．]记忆核力特点技巧1．核子包括质子和中子，而中子不带电，所以核力与电荷无关．2．原子核非常小，所以核力属于短程力．3．质子间的核力比库仑力大得多，属于强相互作用力．训练角度1：对核力的认识1．对核力的认识，下列说法正确的是()A．任何物体之间均存在核力B．每个核子只跟邻近的核子发生核力作用C．核力只存在于质子之间D．核力是弱相互作用的一种表现B[由核力的特点知道，只有相距1.5×10－15m的核子之间存在核力，核力是短程力，核力只发生在核子之间，是强相互作用．]训练角度2：原子核中质子数与中子数的关系2．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．核力可使非常多的质子组成原子核C．自然界中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D[由于原子核带正电，不存在只有中子的原子核，但核力也不能把非常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；自然界中存在只有一个质子的原子核，如11H，C错误；较大质量的原子核内只有存在一些中子，才能削弱库仑力，维系原子核的稳定，故D正确.]结合能的理解与核能计算1.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，就可能释放核能．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．2．对质量亏损的理解(1)在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒的规律．核反应中的质量亏损，并不是这部分质量消失或质量转变为能量．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.(2)质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子个数是不变的．3．对质能方程的理解(1)爱因斯坦质能方程反映了质量亏损与释放能量间的数量关系ΔE＝Δmc2，或物体的质量与其总能量的数量关系E＝mc2，此方程揭示了质量和能量不可分割，二者在数值上存在着简单的正比关系．(2)切记不要误认为亏损的质量转化为能量．核反应过程中质量亏损，是静止的质量减少，辐射γ光子的动质量刚好等于亏损的质量，即反应前后仍然遵循质量守恒和能量守恒．4．核能的计算(1)根据爱因斯坦的质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中光速的平方(c＝3×108m/s)，即ΔE＝Δmc2.(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏特(MeV)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.【例2】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．[解析](1)核反应方程是：73Li＋11H→242He.(2)核反应的质量亏损Δm＝mLi＋mH－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[答案](1)73Li＋11H→242He(2)2.781×10－12J核能的两种计算方法1．若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2.2．若以原子单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×931.5MeV.3．两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1MeV＝1×106×1.6×10－19J＝1.6×10－13J训练角度1：结合能与平均结合能的理解3．下列关于结合能和平均结合能的说法中，正确的有()A．核子结合成原子核时放出能量，拆解原子核要吸收能量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小A[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正确；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，其结合能比重核反而小，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选项错误．]训练角度2：核能的计算4．氘核和氚核反应时的核反应方程为21H＋31H→42He＋10n，已知31H的平均结合能是2.78MeV，21H的平均结合能是1.09MeV，42He的平均结合能是7.03MeV，试计算核反应时释放的能量．[解析]反应前氘核和氚核的总结合能E1＝(1.09×2＋2.78×3)MeV＝10.52MeV反应后生成的氦核的结合能E2＝7.03×4MeV＝28.12MeV由于单个核子无结合能，所以反应过程释放的能量ΔE＝E2－E1＝(28.12－10.52)MeV＝17.6MeV.[答案]17.6MeV课堂小结1.原子核内相邻核子之间的作用力叫核力，核力属于强相互作用力，是短程力.2.把原子核内核子分开需要克服核力所做的功，叫做结合能，结合能与核子数之比叫作平均结合能．平均结合能越大，核越稳定.3.原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫作质量亏损.知识脉络当堂达标固双基1．氦原子核由两个质子与两个中子组成，这两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则3种力从大到小的排列顺序是()A．核力、万有引力、库仑力B．万有引力、库仑力、核力C．库仑力、核力、万有引力D．核力、库仑力、万有引力D[本题考查核子间作用力的大小．核子间的核力最大，万有引力最小，D项正确．]2．激光中子是由重原子核吸收光子后发射中子而产生的，光子的极限能量大约是10MeV.假定中子从原子核上向外移开距离10－13cm所受的力保持不变，则平均核力的数量级是()A．10