《核力和结合能》PPT课件.ppt

第1页 第1页 * 第五节 核力和结合能 第2页 第2页 * 知识梳理图 第3页 第3页 * 【知识点】 1.核力 2.结合能 3.质量亏损质能方程 情景设置 原子核很小,结构却十分复杂,除氢核外其他各种元素的原子 核中既有带正电的质子,又有不带电的中子.那么质子间的 静电斥力为什么没把它们驱散开来? 第4页 第4页 * 深化探究 一核力 1.四种基本相互作用 自然界存在四种基本相互作用:(1)引力相互作用 (2)电磁相互 作用 (3)强相互作用力(强力) (4)弱相互作用力 2.核力:组成原子核的相邻的核子之间存在着一种特殊的力,叫 做核力. 第5页 第5页 * 核力的特点 (1)核力是强相互作用(强力)的一种表现,在它的作用范围内, 核力比库仑力大得多. (2)核力是短程力,作用范围在1.510-15 m内,核力在大于 0.810-15 m时,表现为吸引力,且随距离的增大而减小,超过 1.510-15 m,核力急剧下降几乎消失;而在距离小于0.810- 15 m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起. (3)每个核子只跟相邻的核子发生核力的作用,这种性质称为 核力的饱和性. 第6页 第6页 * 二原子核中质子和中子的比例 1.轻核与重核的比例 自然界中较轻的原子核,质子和中子数大致相等,较重的原子 核,中子数大于质子数,越重的两者相差越多. 第7页 第7页 * 2.对质子和中子比例的解释 原子核越大,有些核子之间的距离越来越远,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 的库仑力,这种原子核是不稳定的.这时,不再成对地增加质 子和中子,而只有增加中子,中子与其他核子没有库仑力,但 有相互吸引的核力,所以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,以及核力的饱和性.如果我们继续增 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,形成的核也一定是不稳定的. 第8页 第8页 * 三结合能 1.结合能:核子结合成原子核时放出能量或原子核分解成核子 时要吸收能量,都叫原子核的结合能. 例如:用光子照射氘核(21H),只有入射光的能量等于或大于 2.2MeV时,才能使它分解为质子和中子.反过来,使一个质 子和一个中子结合成氘核,会放出2.2 MeV的能量,因此氘 核的结合能为2.2 MeV 2.比结合能:原子核的结合能与其核子数之比,称为比结合能, 也叫平均结合能. 第9页 第9页 * 3.比结合能与原子核的稳定性 (1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度,比结 合能越大,原子核就越难拆开,原子核就越稳定. (2)核子数较少的轻核和核子数较多的重核,比结合能 都比较小,中等核子数的原子核,比结合能较大,表 示这些原子较稳定. (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,就可以释放核能. 第10页 第10页 * 四质量亏损和质能方程 1.质量亏损:组成原子核的核子的总质量与新原子核的质量之 差,叫做核的质量亏损. 2.质能方程:原子核释放能量时,要产生质量亏损,物体的能量 和能量之间的关系是 E=mc2或E=mc2 这就是爱因斯坦质能方程,因此在计算核能时,可以通过计算 质量亏损m再代入质能方程求出核能. 第11页 第11页 * 注意:爱因斯坦的质能方程反映的是质量亏损和释放出的核能这两种现象 的联系,并不表示质量和能量间的转化关系.对质量亏损,切忌不能误解 为部分质量转化成了能量,质能方程的本质是:第一,质量或能量是物质 的属性之一,决不能把物质和它的某属性(质量或能量)等同起来;第二, 质能方程揭示了质量和能量不可分割性,方程建立了两个属性在数值上 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 联系决不等于这两个量可以相互转化;第三,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. 第12页 第12页 * 典例分析 一对四种基本作用的理解 例1:科学研究表明,自然界存在四种基本相互作用,我们知道 分子之间也存在相互作用的引力和斥力,那么分子力实质 上属于( ) A.引力相互作用 B.电磁相互作用 C.强相互作用和弱相互作用的共同作用 D.四种基本相互作用的共同作用 第13页 第13页 * 解析:分子作用范围约在10-10m数量级上,强相互作用和弱相 互作用都是短程作用力,作用范围在10-15 m和10-18 m之内, 在这个距离内不存在分子力,在这个范围内引力作用和电 磁作用都存在,但由于电磁力远大于万有引力,引力作用可 以忽略不计,因此分子力本质上属于电磁相互作用. 答案:B 第14页 第14页 * 二对核力原子核内核子比例的理解 例2:对核子结合成原子核的下列说法正确的是( ) A.原子核内的核子间均存在核力 B.原子核内的质子间均存在核力和库仑力 C.当几个核子靠近到核力作用的范围而结合为原子 核时,其间“势能”一定减小 D.对质子数较多的原子核,其中的中子起到增加核力 维系原子稳定的作用 第15页 第15页 * 解析:由于核力是近程力,只会发生在相邻的核子之间,由此可 知AB选项错误;当几个核子靠近到核力作用范围内,距离 大于0.810-15 m,核力表现为引力,在此过程中核力必做正 功,其间势能必定减小,形成原子核后一般不小于0.810-15 m,故C正确;对质子数较多的原子核,由于只有相邻的核子 之间才有核力,但各个质子间均有很强的库仑斥力.随着质 子数的增加其库仑力增加,对于稳定的原子核,必须存在较 多的中子才能维系二者的平衡,故D选项正确. 答案:CD 第16页 第16页 * 巩固练习1:关于原子核的组成,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含有中子 第17页 第17页 * 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,原因是核力为 短程力.质子之间存在着“长程力”库仑力,故AB选项错误; 自然界中存在只有质子的原子核,如11H,故C选项错误;较大 质量的原子核内只有存在一些中子,才能消弱库仑力维系 原子核的稳定,故D选项正确. 答案:D 第18页 第18页 * 三对质量亏损和质能方程的理解 例3:对于爱因斯坦提出的质能方程E=m5c2,下列说法正确的 是( ) A.获得一定的能量,质量也相应的增加一定的值 B.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 C.根据E=m5c2,可知质量减少能量就会增加,在一定条件 下质量转化为能量 D.根据E=m5c2可以计算核反应中释放的核能 第19页 第19页 * 解析:根据质能方程E=m5c2表明一定的质量和一定的能量是相联系的,当 物体获得一定的能量,即能量增加某一定值时,它的质量也相应地增加 一定值,这种关系在任何条件下都成立,故A选项正确,B选项错误;根据 E=m5c2可以计算核反应中释放的能量,释放的能量并非由质量转 化而来的,故C选项错误,D选项正确. 答案:AD 点评:核反应中的质量亏损,并不是这部分质量消失或质量转化为能量,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.另外,质量亏损也 不是核子数的减小,核反应中核子数是不变的. 第20页 第20页 * 巩固练习2:中子n,质子p,氘核D的质量分别为mnmp mD,现用能量为E的射线照射静止的氘核使之分 解,反应方程为+Dp+n,若分解后的中子,质子的 动能可视为相等,则中子的动能为( ) A. (mD-mn-mp)c2-E B. (mp+mn-mD)c2-E C. (mD-mn-mp)c2+E D. (mp+mn-mD)c2+E 第21页 第21页 * 解析:核反应过程中的质量亏损 m=mD-mp-mn 核反应过程中释放的能量 E=mc2=(mD-mp-mn)c2 质子和中子的总能量为E+E,中子的动能是总能的一半,则C 选项正确. 答案:C 第22页 第22页 * 梯度练习 基础强化 1.对核力的认识,下列说法中正确的是( ) A.任何物体之间均存在核力 B.核力存在于原子核内各核子之间 C.核力只发生在相距1.510-15 m的核子之间,大于0.810-15 m为吸引力,而小于0.810-15 m为斥力 D.核力只存在于质子与质子之间 答案:C 第23页 第23页 * 2.核子结合成原子核或原子核分解为核子时,都伴随 着巨大的能量变化,这是因为( ) A.原子核带正电,电子带负电,电荷间存在很大的库仑 力 B.核子具有质量且相距很近,存在很大的万有引力 C.核子间存在着强大的核力 D.核子间存在着复杂的磁力 答案:C 第24页 第24页 * 3.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以及核力的饱和性,不可能无 节制的增大原子核而仍稳定存在 第25页 第25页 * 解析:原子核中质子数和中子数不一定相等,特别是原子序数 越大的原子核中,中子数比质子数多,且原子序数大的和小 的都没有中等质量原子稳定,故A、B、C选项错误.又由于 核力是极短程力及饱和性的特点,使原子核不可能无节制 的增大,故D选项正确. 答案:D 第26页 第26页 * 4.对于公式E=mc2下列说法正确的是( ) A.能量可以转化成质量 B.质量可以转化成能量 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 答案:C 第27页 第27页 * 5.质子中子氘核的质量分别为m1m2m3,那么质子和中子 结合成氘核时放出的能量是( ) A.m3c2 B.(m1+m2)c2 C.(m1+m2-m3)c2 D.(m3-m1-m2)c2 答案:C 第28页 第28页 * 能力提升 6.对于结合能比结合能的认识,下列说法正确的是( ) A.一切原子核均具有结合能 B.自由核子结合成原子核,可能吸收能量 C.结合能越大的原子核越稳定 D.比结合能越大的原子核越稳定 第29页 第29页 * 解析:自由核子结合成原子核的过程,核力做正功,释放出能量, 反之,将原子核分开变为自由核子,它将赋予相应的能量,该 能量即为结合能,故A正确.B错误;对核子较多的原子核结 合能越大,但它的比结合能不一定大,比结合能越大的原子 核越稳定,故C选项错误,D选项正确. 答案:AD 第30页 第30页 * 7.关于核力的说法正确的是( ) A.核力同万有引力没有区别,都是物体间的作用 B.核力与电荷有关 C.核力是弱相互作用,作用力很小 D.核力是强相互作用,是强力 答案:D 第31页 第31页 * 8.(2008全国高考)中子和质子结合成氘核时,质量亏损为 m,E=mc2=2.2 MeV是氘核的结合能.下列说法正确的是( ) A.用能量小于2.2 MeV的光子照射静止氘核时,氘核不能分解为一个质子 和一个中子 B.用能量等于2.2 MeV的光子照射静止氘核时,氘核可能分解为一个质子 和一个中子,它们的动能之和为零 C.用能量大于2.2 MeV的光子照射静止氘核时,氘核可能分解为一个质子 和一个中子,它们的动能之和为零 D.用能量大于2.2 MeV的光子照射静止氘核时,氘核可能分解为一个质子 和一个中子,它们的动能之和不为零 第32页 第32页 * 解析:中子和质子结合成氘核所释放的能量或氘核分解成质子 和中子所吸收的能量都相等,即为此反应的结合能,根据动 量守恒,用光子照射静止的氘核,系统的总动量不为零,故照 射后总动量也不能为零,则总动能亦不能为零,故A、D选项 正确. 答案:AD 第33页 第33页 * 9.2个质子和1个中子结合成氦3(32He)反应方程式为 :211H+10n32He.已知每个质子质量为1.007277u,中子质 量为1.008665u,氦核的质量为3.002315u,求32He的结合能 .(已知1u=1.660610-27kg) 解析:求出反应过程中的质量亏损,再由爱因斯坦的质能方程 即可求解.粒子结合前后的质量亏损m=2mH+mn- m=0.020904u 由质能方程E=mc2=0.0209041.660610- 27(3.00108)2J=3.119810-12 J 答案:3.119810-12 J 第34页 第34页 * 10.一个原来静止的锂核(63Li)俘获一个速度为7.7104 m/s的 中子后,生成一个氚核和一个氦核,已知氚核的速度大小为 1.0103 m/s,方向与中子的运动方向相反. (1)试写出核反应方程. (2)求出氦核的速度. (3)若让一个氘和一个氚核发生聚变,可产生一个氦核同时放 出一个中子,求这个核反应释放出的能量,(已知氘核质量 mD=2.014102u,氚核质量为mT