2020_2021学年新教材高中物理第5章原子核与核能3核力与核能课件鲁科版选择性必修3202103181260

1、第3节核力与核能 必备知识必备知识素养奠基素养奠基 一、核力与核的稳定性一、核力与核的稳定性 思考思考 质子之间存在库仑力质子之间存在库仑力, ,质子与中子、中子与中子之间没有库仑力质子与中子、中子与中子之间没有库仑力, ,那么是那么是 不是质子之间存在核力不是质子之间存在核力, ,质子与中子、中子与中子之间没有核力质子与中子、中子与中子之间没有核力? ? 提示提示: :不是。核力是短程力不是。核力是短程力, ,存在于相邻的核子之间存在于相邻的核子之间, ,无论是质子之间、质子与无论是质子之间、质子与 中子之间还是中子之间中子之间还是中子之间, ,都存在核力。都存在核力。 1.1.核力核力:

2、: (1)(1)定义定义: :把原子核中的把原子核中的_维系在一起的力叫作核力。维系在一起的力叫作核力。 (2)(2)特点。特点。 核力是核力是_(A._(A.强相互作用强相互作用B.B.弱相互作用弱相互作用) )的一种表现的一种表现, ,在原子核的限度内在原子核的限度内, , 核力比库仑力核力比库仑力_。 核力是核力是_(A._(A.长程力长程力B.B.短程力短程力),),作用范围在作用范围在2 21010-15 -15 m m左右。左右。 核子核子 A A 大得多大得多 B B 2.2.原子核的稳定性原子核的稳定性: : (1)(1)核素核素: :具有一定具有一定_和和_的原子。的原子。

3、(2)(2)核素图核素图: :用横坐标表示质子数用横坐标表示质子数, ,纵坐标表示中子数纵坐标表示中子数, ,每一种每一种_用一用一 小方块表示小方块表示, ,所得到的图象叫作核素图。所得到的图象叫作核素图。 质子数质子数中子数中子数 核素核素 (3)(3)原子核的稳定性。原子核的稳定性。 核素的稳定区核素的稳定区: :稳定核素几乎全落在一条曲线上稳定核素几乎全落在一条曲线上, ,或紧靠曲线的两侧或紧靠曲线的两侧, , 这个区域称为这个区域称为_。 稳定核素的中子数和质子数的关系稳定核素的中子数和质子数的关系: :随着核电荷数的增加随着核电荷数的增加, ,稳定核素的稳定核素的 中子数越来越中子

4、数越来越_质子数。质子数。 核素的稳定区核素的稳定区 大于大于 二、四种基本相互作用二、四种基本相互作用 1.1.长程力长程力:_:_和和_。 2.2.短程力短程力:_:_和和_。 3.3.四种相互作用由强到弱的排列四种相互作用由强到弱的排列:_:_、_、 _、_。 引力相互作用引力相互作用电磁相互作用电磁相互作用 强相互作用强相互作用弱相互作用弱相互作用 强相互作用强相互作用电磁相互作用电磁相互作用 弱相互作用弱相互作用引力相互作用引力相互作用 三、结合能与平均结合能三、结合能与平均结合能 思考思考 有人认为质量亏损就是核子的个数变少了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

5、这种认识对不对? ? 提示提示: :不对。在核反应中质量数守恒即核子的个数不变不对。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只是核子组成原子核时, , 仿佛变仿佛变“轻轻”了一些了一些, ,原子核的质量总是小于其全部核子质量之和原子核的质量总是小于其全部核子质量之和, ,即发生了质即发生了质 量亏损量亏损, ,核子的个数并没有变化。核子的个数并没有变化。 1.1.原子核的结合能原子核的结合能: :核子在结合成原子核时所核子在结合成原子核时所_的能量。的能量。 2.2.平均结合能平均结合能: :对某种原子核对某种原子核, ,平均每个核子的结合能称为平均结合能平均每个核子的结

6、合能称为平均结合能, ,它它 等于原子核的结合能与核子数之比。等于原子核的结合能与核子数之比。 3.3.质量亏损与质能方程质量亏损与质能方程: : (1)(1)质量亏损质量亏损: :任何一个原子核的质量总小于组成它的所有核子质量之和任何一个原子核的质量总小于组成它的所有核子质量之和, , 这一差值叫作质量亏损。这一差值叫作质量亏损。 (2)(2)爱因斯坦质能方程爱因斯坦质能方程: :核子结合成原子核时将有能量放出核子结合成原子核时将有能量放出, ,结合能的计算结合能的计算 公式是公式是E=_E=_。 释放释放 mcmc2 2 关键能力关键能力素养形成素养形成 一原子核的稳定性分析一原子核的稳定

7、性分析 1.1.核力的性质核力的性质: : (1)(1)核力是四种相互作用中的强相互作用核力是四种相互作用中的强相互作用( (强力强力) )的一种表现。的一种表现。 (2)(2)核力是短程力。约在核力是短程力。约在1010-15 -15 m m数量级时起作用数量级时起作用, ,距离大于距离大于0.80.81010-15 -15 m m时为引时为引 力力, ,距离小于距离小于0.80.81010-15 -15 m m时为斥力时为斥力, ,距离为距离为10101010-15 -15 m m时核力几乎消失。时核力几乎消失。 (3)(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核力具有饱和

8、性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力, ,而不是与核内而不是与核内 所有核子发生作用。所有核子发生作用。 (4)(4)核力具有电荷无关性。核力与核子电荷无关。核力具有电荷无关性。核力与核子电荷无关。 2.2.原子核中质子与中子的比例关系原子核中质子与中子的比例关系: : (1)(1)较轻的原子核质子数与中子数大致相等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但对于较重的原子核中子数大于质 子数子数, ,越重的原子核越重的原子核, ,两者相差越多。两者相差越多。 (2)(2)形成原因形成原因: : 若质子与中子成对地人工构建原子核若质子与中子成对地人工构建原子核,

9、 ,随原子核的增大随原子核的增大, ,核子间的距离增大核子间的距离增大, , 核力和电磁力都会减小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这个原子核就不稳定 了。了。 若只增加中子若只增加中子, ,因为中子与其他核子没有库仑斥力因为中子与其他核子没有库仑斥力, ,但有相互吸引的核力但有相互吸引的核力, ,所所 以有助于维系原子核的稳定以有助于维系原子核的稳定, ,所以稳定的重原子核内中子数要

10、比质子数多。所以稳定的重原子核内中子数要比质子数多。 由于核力的作用范围是有限的由于核力的作用范围是有限的, ,以及核力的饱和性以及核力的饱和性, ,若再增大原子核若再增大原子核, ,一些核一些核 子间的距离会大到其之间根本没有核力的作用子间的距离会大到其之间根本没有核力的作用, ,这时候再增加中子这时候再增加中子, ,形成的核也形成的核也 一定是不稳定的。一定是不稳定的。 【思考思考 讨论讨论】 为什么核电荷数越多的原子核越不稳定为什么核电荷数越多的原子核越不稳定? ? 提示提示: :核电荷数越多的原子核中核电荷数越多的原子核中, ,有些核子之间的距离越来越大有些核子之间的距离越来越大, ,

11、随着距离增大随着距离增大, , 核力和质子间的斥力都减小核力和质子间的斥力都减小, ,但核力减小得更快但核力减小得更快, ,当原子核大到一定程度时当原子核大到一定程度时, ,核核 力会小于质子间的斥力力会小于质子间的斥力, ,原子核就不稳定了。原子核就不稳定了。 【典例示范典例示范】 关于原子核中质子和中子的说法关于原子核中质子和中子的说法, ,正确的是正确的是( () ) A.A.原子核中质子数和中子数一定相等原子核中质子数和中子数一定相等 B.B.稳定的重原子核里稳定的重原子核里, ,质子数比中子数多质子数比中子数多 C.C.原子核都是非常稳定的原子核都是非常稳定的 D.D.由于核力的作用

12、范围是有限的由于核力的作用范围是有限的, ,核力具有饱和性核力具有饱和性, ,不可能无节制地增大原子核不可能无节制地增大原子核 而仍稳定存在而仍稳定存在 【解析解析】选选D D。由稳定核的质子数与中子数的关系图像可知。由稳定核的质子数与中子数的关系图像可知, ,质量越大的原子核质量越大的原子核 内中子数比质子数多得越多内中子数比质子数多得越多, ,故故A A、B B错误错误; ;原子核可以发生衰变原子核可以发生衰变, ,故故C C错误错误; ;由核由核 力作用特点可知力作用特点可知, ,核子数越多的原子核越不稳定核子数越多的原子核越不稳定, ,故故D D正确。正确。 【素养训练素养训练】 1.

13、1.对原子核的组成对原子核的组成, ,下列说法正确的是下列说法正确的是( () ) A.A.核力可使一些中子组成原子核核力可使一些中子组成原子核 B.B.核力可使非常多的质子组成原子核核力可使非常多的质子组成原子核 C.C.不存在只有质子的原子核不存在只有质子的原子核 D.D.质量较大的原子核内一定有中子质量较大的原子核内一定有中子 【解析解析】选选D D。由于原子核带正电。由于原子核带正电, ,不存在只有中子的原子核不存在只有中子的原子核, ,但核力也不能把但核力也不能把 非常多的质子聚集在一起组成原子核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原因是核力是短程力, ,质子之间

14、还存在长质子之间还存在长 程力程力库仑力库仑力,A,A、B B错误错误; ;自然界中存在只有一个质子的原子核自然界中存在只有一个质子的原子核, ,如如 H,CH,C错错 误误; ;较大质量的原子核内只有存在一些中子较大质量的原子核内只有存在一些中子, ,才能削弱库仑力才能削弱库仑力, ,维系原子核的稳维系原子核的稳 定定, ,故故D D正确。正确。 2.(2.(多选多选) )核子结合成原子核的下列说法中核子结合成原子核的下列说法中, ,正确的是正确的是( () ) A.A.原子核内的核子间均存在核力原子核内的核子间均存在核力 B.B.原子核内的质子间均存在核力和库仑力原子核内的质子间均存在核力

15、和库仑力 C.C.当当n n个核子靠近到核力作用的范围而结合为原子核时个核子靠近到核力作用的范围而结合为原子核时, ,其间势能一定减小其间势能一定减小 D.D.质子数较多的原子核质子数较多的原子核, ,其中的中子起到增加核力、维系原子核稳定的作用其中的中子起到增加核力、维系原子核稳定的作用 【解析解析】选选C C、D D。由于核力为短程力。由于核力为短程力, ,只会发生在相邻核子之间只会发生在相邻核子之间, ,由此知由此知A A、B B错错 误误; ;当当n n个核子靠近到核力作用范围内个核子靠近到核力作用范围内, ,而距离大于而距离大于0.80.81010-15 -15m m时 时, ,核力

16、表现为引核力表现为引 力力, ,在此过程中核力必做正功在此过程中核力必做正功, ,其间势能必定减小其间势能必定减小, ,形成原子核后距离一般不小形成原子核后距离一般不小 于于0.80.81010-15 -15m, m,故故C C正确正确; ;质子数较多的原子核由于只有相邻的核子间才有核力质子数较多的原子核由于只有相邻的核子间才有核力, , 但各个质子间均有很强的库仑斥力但各个质子间均有很强的库仑斥力, ,随着质子数的增加随着质子数的增加, ,其库仑力增加其库仑力增加, ,对于稳对于稳 定的原子核定的原子核, ,必须存在较多的中子才能维系二者的平衡必须存在较多的中子才能维系二者的平衡, ,故故D

17、 D正确。正确。 【补偿训练补偿训练】 1.1.激光中子是由重原子核吸收光子后发射中子而产生的激光中子是由重原子核吸收光子后发射中子而产生的, ,光子的极限能量光子的极限能量 大约是大约是10 MeV10 MeV。假定中子从原子核上向外移开距离。假定中子从原子核上向外移开距离1010-13 -13 cm cm所受的力保持所受的力保持 不变不变, ,则平均核力的数量级是则平均核力的数量级是( () ) A.10A.10-3 -3 N N B.10 NB.10 N C.10C.103 3 N ND.D.无法计算无法计算 【解析解析】选选C C。核力是一种很强的力。核力是一种很强的力, ,应存在于相

18、邻的核子之间应存在于相邻的核子之间, , 由题意知由题意知:Fd=W=E,:Fd=W=E,则则F= =1.6F= =1.610103 3 N, N,故选项故选项C C正确。正确。 619 132 10 101.6 10 N 1010 2. 2. 的核由的核由6 6个质子与个质子与6 6个中子组成个中子组成, ,其中两个质子之间存在着万有引力、库其中两个质子之间存在着万有引力、库 仑力和核力仑力和核力, ,则三种力从大到小的排列顺序是则三种力从大到小的排列顺序是( () ) A.A.核力、万有引力、库仑力核力、万有引力、库仑力 B.B.万有引力、库仑力、核力万有引力、库仑力、核力 C.C.库仑力

19、、核力、万有引力库仑力、核力、万有引力 D.D.核力、库仑力、万有引力核力、库仑力、万有引力 12 6 C 【解析解析】选选D D。核力是强相互作用力。核力是强相互作用力, ,是它将核子束缚在原子核内是它将核子束缚在原子核内; ;库仑力如果库仑力如果 大于核力大于核力, ,原子核内质子就不能存在于这么小的范围内原子核内质子就不能存在于这么小的范围内; ;万有引力最弱万有引力最弱, ,研究核研究核 子间相互作用时万有引力可以忽略子间相互作用时万有引力可以忽略; ;所以所以A A、B B、C C错。错。 二结合能的含义二结合能的含义 1.1.结合能和平均结合能结合能和平均结合能: :由于核力的存在

20、由于核力的存在, ,核子结合成原子核时要放出一定的能核子结合成原子核时要放出一定的能 量量, ,原子核分解成核子时原子核分解成核子时, ,要吸收同样多的能量要吸收同样多的能量, ,核反应中放出或吸收的能量称核反应中放出或吸收的能量称 为结合能。平均结合能为结合能。平均结合能: :原子核的结合能与核子数之比。平均结合能越大原子核的结合能与核子数之比。平均结合能越大, ,表示表示 原子核结合得越牢固原子核结合得越牢固, ,原子核越稳定。原子核越稳定。 2.2.结合能与电离能结合能与电离能: :要使基态氢原子电离要使基态氢原子电离, ,也就是要从氢原子中把电子剥离也就是要从氢原子中把电子剥离, ,需

21、需 要通过碰撞、施加电场、赋予光子等途径让它得到要通过碰撞、施加电场、赋予光子等途径让它得到13.6 eV13.6 eV的能量的能量, ,这个能量实这个能量实 际上就是电子与氢原子核的结合能际上就是电子与氢原子核的结合能, ,不过通常把它叫作氢原子的电离能不过通常把它叫作氢原子的电离能, ,而结合而结合 能一词只用在原子核中。能一词只用在原子核中。 3.3.平均结合能曲线平均结合能曲线: : 不同原子核的平均结合能随质量数变化图线如图所示。不同原子核的平均结合能随质量数变化图线如图所示。 从图中可看出从图中可看出, ,中等质量原子核的平均结合能最大中等质量原子核的平均结合能最大, ,轻核和重核

22、的平均结合能都轻核和重核的平均结合能都 比中等质量的原子核要小。比中等质量的原子核要小。 4.4.平均结合能与原子核稳定的关系平均结合能与原子核稳定的关系: : (1)(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的大小能够反映原子核的稳定程度, ,平均结合能越大平均结合能越大, ,原子核就原子核就 越难拆开越难拆开, ,表示该原子核就越稳定。表示该原子核就越稳定。 (2)(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核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平均结合能都比较小, ,表示原子核表示原子核 不太稳定不太稳定; ;中等核子数的原子核中等核子数的原子核, ,平均结

23、合能较大平均结合能较大, ,表示原子核较稳定。表示原子核较稳定。 (3)(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, ,就可能释放就可能释放 核能。例如核能。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。都能释放出巨大的核能。 5.5.核反应伴随能量的变化核反应伴随能量的变化: :由于核子间存在着巨大的核力作用由于核子间存在着巨大的核

24、力作用, ,所以原子核是一所以原子核是一 个坚固的集体。要把原子核拆散成核子个坚固的集体。要把原子核拆散成核子, ,需要克服核力做巨大的功需要克服核力做巨大的功, ,需要巨大的需要巨大的 能量。一个氘核被拆成一个中子和一个质子时能量。一个氘核被拆成一个中子和一个质子时, ,需要能量等于或大于需要能量等于或大于2.2 MeV2.2 MeV 的的光子照射。核反应方程为光子照射。核反应方程为 。相反的过程。相反的过程, ,当一个中子和一个当一个中子和一个 质子结合成一个氘核时会释放出质子结合成一个氘核时会释放出2.2 MeV2.2 MeV的能量的能量, ,这个能量以这个能量以光子的形式辐射光子的形式

25、辐射 出去出去, ,核反应方程为：核反应方程为： 211 110 HHn 112 101 HnH 。 【思考思考 讨论讨论】情境情境: :如图所示如图所示, ,不同原子核的平均结合能随核子数变化的图线。不同原子核的平均结合能随核子数变化的图线。 讨论讨论:(1):(1)平均结合能的大小与核子数的关系如何平均结合能的大小与核子数的关系如何? ? 提示提示: :中等质量原子核的平均结合能最大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轻核和重核的平均结合能都比中等质 量的原子核的平均结合能要小。量的原子核的平均结合能要小。 (2)(2)平均结合能越大的原子核平均结合能越大的

26、原子核, ,结合能越大吗结合能越大吗? ? 提示提示: :结合能是原子核拆解成单个核子时吸收的能量结合能是原子核拆解成单个核子时吸收的能量, ,而平均结合能是原子核的而平均结合能是原子核的 结合能与其核子数之比。所以结合能大的原子核结合能与其核子数之比。所以结合能大的原子核, ,平均结合能不一定大平均结合能不一定大, ,结合能结合能 小的原子核小的原子核, ,平均结合能不一定小平均结合能不一定小, ,相对来说相对来说, ,平均结合能更有意义平均结合能更有意义, ,它反映了原它反映了原 子核结合的稳定程度或分裂的难易程度。子核结合的稳定程度或分裂的难易程度。 【典例示范典例示范】( (多选多选)

27、 )核能具有高效、清洁等优点核能具有高效、清洁等优点, ,利用核能是当今世界解决能利用核能是当今世界解决能 源问题的一个重要方向。原子核的比结合能曲线如图所示源问题的一个重要方向。原子核的比结合能曲线如图所示, ,根据该曲线判断下根据该曲线判断下 列说法正确的是列说法正确的是( () ) A. A. 核的比结合能大于核的比结合能大于 核的比结合能核的比结合能, ,因此因此 核更稳定核更稳定 B.B.两个两个 核结合成核结合成 核时释放能量核时释放能量 C. C. 核的结合能约为核的结合能约为7 MeV7 MeV D. D. 的比结合能大于的比结合能大于 的比结合能的比结合能 4 2He 6 3

28、Li 6 3Li 2 1 H 4 2He 4 2He 107 47 Ag 209 83 Bi 【解析解析】选选B B、D D。 核的比结合能大于核的比结合能大于 核的比结合能核的比结合能, ,因此因此 核核 更稳定更稳定, ,故故A A错误错误 核的比结合能约为核的比结合能约为7 MeV7 MeV， 核的比结合能约为核的比结合能约为 1 MeV,1 MeV,则两个则两个 核结合成核结合成 核时释放能量核时释放能量, ,故故B B正确正确,C,C错误错误; ;由题图由题图 可知可知 的比结合能大于的比结合能大于 的比结合能的比结合能, ,故故D D正确。正确。 4 2He 6 3Li 4 2He

29、 4 2He 2 1 H 4 2He 107 47 Ag 209 83 Bi 2 1 H 【素养训练素养训练】 1.(1.(多选多选) )某种原子序数大于某种原子序数大于9090的原子核不稳定的原子核不稳定, ,分裂成三个质量较小的新核和分裂成三个质量较小的新核和 某种射线某种射线, ,关于该分解过程正确的是关于该分解过程正确的是( () ) A.A.一定放出能量一定放出能量 B.B.新核的比结合能更小新核的比结合能更小 C.C.放出的射线可能为放出的射线可能为X X射线射线 D.D.若放出的射线为若放出的射线为射线射线, ,则分解过程中存在弱相互作用则分解过程中存在弱相互作用 【解析解析】选

30、选A A、D D。分裂后的原子核的质量数比分裂前小。分裂后的原子核的质量数比分裂前小, ,所以比结合能增大所以比结合能增大, ,一一 定放出能量定放出能量,A,A正确正确,B,B错误错误; ;放出的射线只可能是放出的射线只可能是、中的某一种中的某一种, ,不可能不可能 是是X X射线射线,C,C错误错误;射线是中子转化为质子时产生的射线是中子转化为质子时产生的, ,而弱相互作用就是在中子而弱相互作用就是在中子 转化为质子时起作用转化为质子时起作用, ,故故D D正确。正确。 2.(2.(多选多选) )钚的一种同位素钚的一种同位素 衰变时释放巨大能量衰变时释放巨大能量, ,如图所示如图所示, ,

31、其衰变方程其衰变方程 为为 , ,并伴随并伴随光子辐射光子辐射, ,则下列说法中正确的是则下列说法中正确的是( () ) A.A.核燃料总是利用平均结合能小的核核燃料总是利用平均结合能小的核 B.B.核反应中核反应中光子的能量就是光子的能量就是 的结合能的结合能 C. C. 核比核比 核更稳定核更稳定, ,说明说明 的结合能大的结合能大 D.D.由于衰变时释放巨大能量由于衰变时释放巨大能量, ,所以所以 比比 的的 平均结合能小平均结合能小 239 94 Pu 2392354 94922 PuUHe 239 94 Pu 235 92 U 239 94 Pu 235 92 U 235 92 U

32、239 94 Pu 【解析解析】选选A A、D D。根据平均结合能越大。根据平均结合能越大, ,越稳定越稳定, ,则核燃料总是利用平均结合能则核燃料总是利用平均结合能 小的核小的核, ,故故A A正确。结合能是把核子分开所需要的能量正确。结合能是把核子分开所需要的能量, ,而并非核反应中而并非核反应中光子光子 的能量的能量, ,故故B B错误。错误。 核比核比 核更稳定核更稳定, ,说明说明 的平均结合能大的平均结合能大, ,所以所以 衰变时衰变时, ,会释放巨大能量会释放巨大能量, ,故故C C错误错误,D,D正确。故选正确。故选A A、D D。 235 92 U 239 94 Pu 235

33、 92 U 【补偿训练补偿训练】 1.1.下面关于结合能和比结合能的说法中下面关于结合能和比结合能的说法中, ,正确的是正确的是( () ) A.A.核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆散成核子时放出的能量称为结合能核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆散成核子时放出的能量称为结合能 B.B.比结合能越大的原子核越稳定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因此它的结合能也一定越大 C.C.重核与中等质量原子核相比较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重核的结合能和比结合能都大 D.D.中等质量的原子核的结合能和比结合能均比轻核要大中等质量的原子核的结合能和

34、比结合能均比轻核要大 【解析解析】选选D D。核子结合成原子核要放出能量。核子结合成原子核要放出能量, ,原子核拆散成核子时要吸收能量原子核拆散成核子时要吸收能量, , 故选项故选项A A错错; ;比结合能越大的原子核越稳定比结合能越大的原子核越稳定, ,但比结合能大的原子核但比结合能大的原子核, ,其结合能不其结合能不 一定大。例如一定大。例如, ,中等质量的原子核的比结合能比重核大中等质量的原子核的比结合能比重核大, ,但由于核子数比重核少但由于核子数比重核少, , 其结合能比重核反而小其结合能比重核反而小, ,故选项故选项B B、C C错错; ;中等质量的原子核的比结合能比轻核大中等质量

35、的原子核的比结合能比轻核大, , 它的原子核内的核子数比轻核多它的原子核内的核子数比轻核多, ,因此它的结合能也比轻核大因此它的结合能也比轻核大, ,故选项故选项D D正确。正确。 2.(2.(多选多选) )关于原子核的结合能关于原子核的结合能, ,下列说法正确的是下列说法正确的是( () ) A.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.B.一重原子核衰变成一重原子核衰变成粒子和另一原子核粒子和另一原子核, ,衰变产物的结合能之和一定大于原衰变产物的结合能之和一定大于原 来重核的结合能来重核的结合能 C.C.铯原子核

36、铯原子核( )( )的结合能小于铅原子核的结合能小于铅原子核( )( )的结合能的结合能 D.D.比结合能越大比结合能越大, ,原子核越不稳定原子核越不稳定 133 55 Cs 208 82 Pb 【解析解析】选选A A、B B、C C。原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最。原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最 小能量小能量,A,A正确正确; ;一重原子核衰变成一重原子核衰变成粒子和另一原子核粒子和另一原子核, ,要释放能量要释放能量, ,衰变产物衰变产物 的结合能之和一定大于原来重核的结合能的结合能之和一定大于原来重核的结合能, ,故故B B正确正确; ;铯原子核与铅

37、原子核都是铯原子核与铅原子核都是 中等质量的原子核中等质量的原子核, ,铯原子核铯原子核( )( )的比结合能比铅原子核的比结合能比铅原子核( )( )的比结合的比结合 能略大能略大, ,而铅原子核中的核子数比铯而铅原子核中的核子数比铯( )( )原子核的核子数多一半原子核的核子数多一半, ,所以铯原所以铯原 子核子核( )( )的结合能一定小于铅原子核的结合能一定小于铅原子核( )( )的结合能的结合能, ,故故C C正确正确; ;比结合能比结合能 越大越大, ,原子核越稳定原子核越稳定,D,D错误。故选错误。故选A A、B B、C C。 133 55 Cs 208 82 Pb 133 55

38、 Cs 133 55 Cs 208 82 Pb 三质能方程与核能的计算三质能方程与核能的计算 1.1.质量亏损质量亏损: :所谓质量亏损所谓质量亏损, ,并不是质量消失并不是质量消失, ,减少的质量在核子结合成核的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。反过来过程中以能量的形式辐射出去了。反过来, ,把原子核分裂成核子把原子核分裂成核子, ,总质量要总质量要 增加增加, ,总能量也要增加总能量也要增加, ,增加的能量要由外部供给。总之增加的能量要由外部供给。总之, ,物体的能量和质量物体的能量和质量 之间存在着密切的联系之间存在着密切的联系, ,它们之间的关系就是它们之间的关

39、系就是E=mcE=mc2 2。 2.2.质能方程质能方程E=mcE=mc2 2: :爱因斯坦指出爱因斯坦指出, ,物体的能量物体的能量(E)(E)和质量和质量(m)(m)之间存在着密切的关之间存在着密切的关 系系, ,即即E=mcE=mc2 2, ,式中式中c c为真空中的光速。爱因斯坦质能方程表明为真空中的光速。爱因斯坦质能方程表明: :物体所具有的能量物体所具有的能量 跟它的质量成正比。由于跟它的质量成正比。由于c c2 2这个数值十分巨大这个数值十分巨大, ,因而物体的能量是十分可观的。因而物体的能量是十分可观的。 3.3.核能的计算方法核能的计算方法: : (1)(1)根据核反应方程根

40、据核反应方程, ,计算核反应前与核反应后的质量亏损计算核反应前与核反应后的质量亏损mm。 (2)(2)根据爱因斯坦质能方程根据爱因斯坦质能方程E=mcE=mc2 2或或E=mcE=mc2 2计算核能。计算核能。 (3)(3)计算过程中计算过程中mm的单位是千克的单位是千克,E,E的单位是焦耳。的单位是焦耳。 4.4.质能方程的本质质能方程的本质: : (1)(1)质量或能量是物质的属性之一质量或能量是物质的属性之一, ,决不能把物质和它们的某一属性决不能把物质和它们的某一属性( (质量和能质量和能 量量) )等同起来等同起来; ; (2)(2)质能方程揭示了质量和能量的不可分割性质能方程揭示了

41、质量和能量的不可分割性, ,方程建立了这两个属性在数值上方程建立了这两个属性在数值上 的关系的关系, ,这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒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决质量和能量在数值上的联系决 不等于这两个量可以相互转化不等于这两个量可以相互转化; ; (3)(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, ,辐射出的辐射出的光光 子静质量虽然为零子静质量虽然为零, ,但它有动质量但它有动质量, ,而且这个动质量刚好等于亏损的质量而且这个动质量刚好等于亏损的质量, ,所以所以 质量守恒、能量守

42、恒仍成立。质量守恒、能量守恒仍成立。 【思考思考 讨论讨论】 爱因斯坦质能方程中说明质量和能量可以相互转化吗爱因斯坦质能方程中说明质量和能量可以相互转化吗? ? 提示提示: :不是。爱因斯坦质能方程说明了质量和能量这两个物理量间的对应关系不是。爱因斯坦质能方程说明了质量和能量这两个物理量间的对应关系, , 说明有质量就有能量说明有质量就有能量, ,并不是说质量转化为能量。并不是说质量转化为能量。 【典例示范典例示范】 镭核镭核 发生衰变放出一个粒子变为氡核发生衰变放出一个粒子变为氡核 。已知镭核质量为。已知镭核质量为 226.025 4 u,226.025 4 u,氡核质量为氡核质量为222.

43、016 3 u,222.016 3 u,放出粒子质量为放出粒子质量为4.002 6 u4.002 6 u。 (1)(1)写出核反应方程。写出核反应方程。 (2)(2)求镭核衰变放出的能量。求镭核衰变放出的能量。 226 88 Ra 222 86 Rn 【解析解析】(1)(1)核反应核反应( (衰变衰变) )方程为方程为: : (2)(2)镭核衰变放出的能量为镭核衰变放出的能量为: : E=mcE=mc2 2=m=m931.5 MeV931.5 MeV =(226.025 4-4.002 6-222.016 3)=(226.025 4-4.002 6-222.016 3)931.5 MeV931

44、.5 MeV 6.05 MeV6.05 MeV。 答案答案: :(1) (1) (2)6.05 MeV(2)6.05 MeV 2262224 88862 RaRnHe 2262224 88862 RaRnHe。 【规律方法规律方法】计算核能的三种方法计算核能的三种方法 1.1.根据质量亏损计算核能根据质量亏损计算核能: : 根据爱因斯坦质能方程根据爱因斯坦质能方程E=mcE=mc2 2计算核能。其中若计算核能。其中若mm的单位是千克的单位是千克,E,E的单的单 位是焦耳。若位是焦耳。若mm用原子质量单位用原子质量单位(u)(u)表示表示, ,则则E=mE=m931.5 MeV931.5 MeV

45、。 2.2.根据能量守恒和动量守恒来计算核能根据能量守恒和动量守恒来计算核能: : 参与核反应的粒子所组成的系统参与核反应的粒子所组成的系统, ,在核反应过程中的动量和能量是守恒的在核反应过程中的动量和能量是守恒的, ,因此因此, , 利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化。利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化。 3.3.利用平均结合能来计算核能利用平均结合能来计算核能: : 原子核的结合能原子核的结合能= =核子的平均结合能核子的平均结合能核子数。核反应中反应前系统内所有原核子数。核反应中反应前系统内所有原 子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差子核的总结合能与反应后生成的所有

46、新核的总结合能之差, ,就是该次核反应所就是该次核反应所 释放释放( (或吸收或吸收) )的核能。的核能。 【素养训练素养训练】 1.1.质子、中子和氘核的质量分别为质子、中子和氘核的质量分别为m m1 1、m m2 2和和m m3 3。当一个质子和一个中子结合成。当一个质子和一个中子结合成 氘核时氘核时, ,释放的能量是释放的能量是(c(c表示真空中的光速表示真空中的光速) )( () ) A.(mA.(m1 1+m+m2 2-m-m3 3)c)cB.(mB.(m1 1-m-m2 2-m-m3 3)c)c C.(mC.(m1 1+m+m2 2-m-m3 3) c) c2 2D.(mD.(m1

47、 1-m-m2 2-m-m3 3)c)c2 2 【解析解析】选选C C。由题意可知。由题意可知, ,质量的变化量质量的变化量m=mm=m1 1+m+m2 2-m-m3 3; ;根据质能方程根据质能方程E=mcE=mc2 2 计算释放的能量为计算释放的能量为E=(mE=(m1 1+m+m2 2-m-m3 3)c)c2 2。 2.(20202.(2020厦门高二检测厦门高二检测) )一个锂核一个锂核( )( )受到一个质子受到一个质子( )( )轰击变为轰击变为2 2个个 粒子粒子( ),( ),在此过程中释放出在此过程中释放出16.6 MeV16.6 MeV的能量。的能量。(1 u(1 u相当于

48、相当于931.5 MeV)931.5 MeV)求求: : (1)(1)写出该核反应的方程。写出该核反应的方程。 (2)(2)平均每个核子减少的质量。平均每个核子减少的质量。( (保留两位有效数字保留两位有效数字) ) 7 3 Li 1 1H 4 2He 【解析解析】(1) (1) (2)m= (2)m= 代入数据得代入数据得:m=0.017 8 u:m=0.017 8 u 代入数据得代入数据得: =0.002 2 u: =0.002 2 u 答案答案: :(1) (1) (2)0.002 2 u(2)0.002 2 u 714 312 LiH2 He 2 E c m m 8 m 714 312

49、 LiH2 He 【补偿训练补偿训练】 (2017(2017全国卷全国卷)大科学工程大科学工程“人造太阳人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的主要是将氘核聚变反应释放的 能量用来发电能量用来发电, ,氘核聚变反应方程是氘核聚变反应方程是 , ,已知已知 的质量为的质量为 2.013 6 u2.013 6 u， 的质量为的质量为3.015 0 u3.015 0 u， 的质量为的质量为1.008 7 u,1 u =1.008 7 u,1 u = 931 MeV/c931 MeV/c2 2。氘核聚变反应中释放的核能约为。氘核聚变反应中释放的核能约为 ( () ) A.3.7 MeVA.3.7 MeVB

50、.3.3 MeVB.3.3 MeV C.2.7 MeVC.2.7 MeVD.0.93 MeV D.0.93 MeV 2231 1120 HHHen 3 2 He 1 0 n 2 1 H 【解析解析】选选B B。氘核聚变反应的质量亏损。氘核聚变反应的质量亏损m=2mm=2m氘 氘-m -m氦 氦-m -mn n=0.003 5 u,=0.003 5 u, 则该反应释放的核能为则该反应释放的核能为E=mE=m931 MeV=3.258 5 MeV3.3 MeV931 MeV=3.258 5 MeV3.3 MeV。 【拓展例题拓展例题】考查内容考查内容: :动量守恒、能量守恒在原子物理中的应用动量守

51、恒、能量守恒在原子物理中的应用 【典例典例】一个静止的铀核一个静止的铀核 ( (原子质量为原子质量为232.037 2 u)232.037 2 u)放出一个放出一个粒子粒子 ( (原子质量为原子质量为4.002 6 u)4.002 6 u)后衰变成钍核后衰变成钍核 ( (原子质量为原子质量为228.028 7 u)228.028 7 u)。 ( (已知已知: :原子质量单位原子质量单位1 u=1.671 u=1.671010-27 -27 kg,1 u kg,1 u相当于相当于931 MeV)931 MeV) (1)(1)写出核衰变反应方程。写出核衰变反应方程。 (2)(2)算出该核衰变反应中

52、释放出的核能。算出该核衰变反应中释放出的核能。 (3)(3)假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和粒子的动能粒子的动能, ,则钍核获得则钍核获得 的动能有多大的动能有多大? ? 232 92 U 228 90 Th 【解析解析】(1(1） (2)(2)质量亏损质量亏损:m=m:m=mU U-m-mTh Th-m -mHe He=0.005 9 u =0.005 9 u E=mcE=mc2 2=0.005 9=0.005 9931 MeV=5.49 MeV931 MeV=5.49 MeV (3)(3)系统动量守恒系统动量守恒, ,钍核和钍核和粒子的动量大小相

53、等粒子的动量大小相等, ,即即p pTh Th+(-p +(-p )=0 )=0 所以钍核获得的动能为所以钍核获得的动能为 E=0.09 MeVE=0.09 MeV 2322284 92902 UThHe 2 Th kTh Th kThk 2 k p E 2m EEE p E 2m kTh Th m4 EE mm4228 答案答案: :(1) (1) (2)5.49 MeV(2)5.49 MeV(3)0.09 MeV(3)0.09 MeV 2322284 92902 UThHe 【课堂回眸课堂回眸】 1.1.下列说法正确的是下列说法正确的是( () ) A.A.质子数与中子数相等的原子核最稳定

54、质子数与中子数相等的原子核最稳定 B.B.若两个核子间的距离为若两个核子间的距离为1.21.21010-15 -15 m, m,则它们间的核力表现为引力则它们间的核力表现为引力 C.C.两个核子间的核力一定为引力两个核子间的核力一定为引力 D.D.两个质子间的核力与库仑力一定是一对平衡力两个质子间的核力与库仑力一定是一对平衡力 课堂检测课堂检测素养达标素养达标 【解析解析】选选B B。中等质量的原子核最稳定。中等质量的原子核最稳定, ,但这些原子核内的质子数和中子数不但这些原子核内的质子数和中子数不 一定相等一定相等,A,A错误错误; ;两个核子间的距离两个核子间的距离0.80.81010-1

55、5 -15 mr1.5 mr1.51010-15 -15 m m时表现为引时表现为引 力力,r0.8,r0.81010-15 -15 m m时表现为斥力时表现为斥力,B,B正确正确,C,C错误错误; ;一个质子可以受到多个质子对一个质子可以受到多个质子对 它的库仑力作用它的库仑力作用, ,而核力只发生在相邻的核子间而核力只发生在相邻的核子间, ,两个质子间的核力与库仑力不两个质子间的核力与库仑力不 一定形成平衡力一定形成平衡力,D,D错误。错误。 2.2.如图所示是描述原子核核子的平均质量如图所示是描述原子核核子的平均质量m m与原子序数与原子序数Z Z的关系曲线的关系曲线, ,由图可知由图可

56、知 下列说法正确的是下列说法正确的是( () ) A.A.将原子核将原子核A A分解为原子核分解为原子核B B、C C可能吸收能量可能吸收能量 B.B.将原子核将原子核D D、E E结合成原子核结合成原子核F F可能吸收能量可能吸收能量 C.C.将原子核将原子核A A分解为原子核分解为原子核B B、F F一定释放能量一定释放能量 D.D.将原子核将原子核F F、C C结合成原子核结合成原子核B B一定释放能量一定释放能量 【解析解析】选选C C。因。因B B、C C核子平均质量小于核子平均质量小于A A核子平均质量核子平均质量, ,故故A A分解为分解为B B、C C时时, ,出出 现质量亏损

57、现质量亏损, ,放出核能放出核能, ,故故A A错错, ,同理可得同理可得B B、D D错错,C,C正确。正确。 3.3.当两个中子和两个质子结合成一个当两个中子和两个质子结合成一个粒子时粒子时, ,放出放出 28.30 MeV28.30 MeV的能量的能量, ,当三个当三个 粒子结合成一个碳粒子结合成一个碳(C)(C)核时核时, ,放出放出7.26 MeV7.26 MeV能量能量, ,则当则当6 6个中子和个中子和6 6个质子结合个质子结合 成一个碳成一个碳(C)(C)核时核时, ,释放的能量约为释放的能量约为( () ) A.21.04 MeVA.21.04 MeVB.35.56 MeVB

58、.35.56 MeV C.77.64 MeVC.77.64 MeVD.92.16 MeVD.92.16 MeV 【解析解析】选选D D。6 6个中子和个中子和6 6个质子可结合成个质子可结合成3 3个个粒子粒子, ,放出能量放出能量3 3 28.30 MeV=84.9 MeV,328.30 MeV=84.9 MeV,3个个粒子再结合成一个碳核粒子再结合成一个碳核, ,放出放出7.26 MeV7.26 MeV能量能量, , 故故6 6个中子和个中子和6 6个质子结合成一个碳核时个质子结合成一个碳核时, ,释放能量为释放能量为84.9 MeV+7.26 MeV=84.9 MeV+7.26 MeV=

59、 92.16 MeV,D92.16 MeV,D项正确。项正确。 4.4.一个电子一个电子( (质量为质量为m m、电荷量为、电荷量为-e)-e)和一个正电子和一个正电子( (质量为质量为m m、电荷量为、电荷量为e)e)以相以相 等的初动能等的初动能E Ek k相向运动相向运动, ,并撞到一起并撞到一起, ,发生发生“湮灭湮灭”, ,产生两个频率相同的光子产生两个频率相同的光子, , 设产生光子的频率为设产生光子的频率为。若这两个光子的能量都为。若这两个光子的能量都为h,h,动量分别为动量分别为p p和和p p , , 下面关系中正确的是下面关系中正确的是( () ) A.h=mcA.h=mc

60、2 2,p=p,p=p B.h= mcB.h= mc2 2,p=p,p=p C.h=mcC.h=mc2 2+E+Ek k,p=-p,p=-p D.h= (mcD.h= (mc2 2+E+Ek k),p=-p),p=-p 1 2 1 2 【解析解析】选选C C。能量守恒和动量守恒为普适定律。能量守恒和动量守恒为普适定律, ,故以相等动能相向运动发生碰故以相等动能相向运动发生碰 撞而湮灭的正、负电子总能量为撞而湮灭的正、负电子总能量为:2E:2Ek k+2mc+2mc2 2, ,化为两个光子后化为两个光子后, ,总动量守恒且为零总动量守恒且为零, , 故故p=-pp=-p , ,且且2E2Ek k