高二物理人教版选修3-5课件：195-核力与结合能教学课件

5

核力与结合能2021/01/221情

景

导

入

1945年7月16日,第一颗原子弹在新墨西哥州的荒漠上爆炸成功,其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化,在半径400m的范围内,沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质,半径1600m范围内所有动植物全部死亡。巨大的核能是从哪里来的?2021/01/222思

维

导

图

2021/01/223一二三填一填练一练一、核力和四种基本相互作用(见课本第79页)1.核力:原子核内核子之间的相互作用力。2.核力的特点:(1)核力是强相互作用的一种表现,在原子核内,核力比库仑力大得多。(2)核力是短程力,作用范围在1.5×10-15m之内。

(3)核力的饱和性:每个核子只跟邻近的核子发生核力作用。3.四种基本相互作用:2021/01/224一二三填一填练一练二、原子核中质子与中子的比例(见课本第80页)1.轻原子核:自然界中较轻的原子核,质子数与中子数大致相等。2.重原子核:对于较重的原子核,中子数大于质子数,越重的元素,两者相差就越大。2021/01/225一二三填一填练一练三、结合能和质量亏损(见课本第81页)1.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,要把它们分开也需要能量,这就是原子核的结合能。(2)比结合能(平均结合能):原子核的结合能与核子数之比称为比结合能。比结合能越大,原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。2021/01/226一二三填一填练一练2.质量亏损(1)爱因斯坦质能方程E=mc2。(2)质量亏损:原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。(3)核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm,与它们在互相结合过程中放出的能量ΔE的关系是ΔE=Δmc2。3.比结合能应用前景(1)中等大小的核的比结合能最大,这些核最稳定。(2)使较重的核分裂成中等大小的核,或者把较小的核合并成中等大小的核,都将释放新的结合能。2021/01/227填一填练一练对结合能、比结合能的认识,下列说法正确的是(

)A.核子结合为原子核时,一定释放能量B.核子结合为原子核时,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解析:由自由核子结合成原子核的过程中,核力做正功,释放出能量。反之,将原子核分开变为自由核子,它需要吸收相应的能量,该能量即为结合能,故A正确,B错误;对核子较多的原子核的结合能越大,但它的比结合能不一定大,比结合能的大小反映了原子核的稳定性,故C错误,D正确。答案:AD2021/01/228探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析探究一对结合能和比结合能的理解

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。如铀235的核内有92个质子,143个中子。那么质子间的静电斥力为什么没有把它们驱散开来?若要把它们分开,可采用什么方法?2021/01/229探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析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,也需要能量,这就是原子核的结合能,它等于核子结合为原子核时放出的能量。2.比结合能原子核的结合能与其核子数之比,称作比结合能。它反映了原子核的稳定程度。2021/01/2210探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析3.比结合能曲线不同原子核的比结合能随质量数变化的图线如图所示。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。2021/01/2211探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析4.比结合能与原子核稳定的关系(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,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,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。2021/01/2212探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析【例题1】

下面关于结合能和比结合能的说法中,正确的有(

)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2021/01/2213探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析解析:核子结合成原子核时放出能量,原子核拆解成核子时吸收能量,A选项错;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,其结合能比重核反而小,B、C选项错;中等质量原子核的比结合能比轻核的大,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选项对。答案:D2021/01/2214探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析变式训练1

一个中子与某原子核发生核反应,生成一个氘核,其核反应方程式为

。该反应放出的能量为Q,则氘核的比结合能为

。

解析:由已知条件可得方程式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,称作比结合能,由题意知氘核的核子数为2,所以比结合能为

。2021/01/2215探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析2021/01/2216探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析探究二质能方程和核能的计算

爱因斯坦狭义相对论中的质能方程给出了核能的计算方法。思考:(1)核反应中质量亏损与质量守恒矛盾吗?(2)核子结合成原子核时为何出现“质量亏损”?2021/01/2217探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析2021/01/2218探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析1.对质量亏损的理解(1)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。反过来,把原子核分裂成核子,总质量要增加,总能量也要增加,增加的能量要由外部供给。(2)质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来。(3)Δm是核反应前与核反应后的质量之差。2021/01/2219探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析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。2021/01/2220探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析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。5.核能的计算方法(1)根据质量亏损计算①根据核反应方程,计算核反应前和核反应后的质量亏损Δm。②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。2021/01/2221探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析(2)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,在核反应过程中的动量和能量是守恒的,因此,利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化。(3)利用平均结合能来计算核能原子核的结合能=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,就是该核反应所释放(或吸收)的核能。2021/01/2222探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析2021/01/2223探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析【例题2】

已知氮核质量mN=14.00753u,氧核质量

mO=17.00454u,氦核质量mHe=4.00387u,质子质量mH=1.00815u,试判断核反应

是吸能反应,还是放能反应?能量变化多少?(1u=1.66×10-27kg,1u相当于931.5MeV的能量)点拨:由反应物和生成物的质量大小关系来判断反应是吸能反应还是放能反应。解析:先计算出质量亏损Δm,然后将1

u相当于931.5

MeV

能量代入计算即可。反应前总质量为mN+m

He=18.011

40

u,反应后总质量为mO+mH=18.012

69

u。因为反应中质量增加,所以此反应为吸能反应,所吸收的能量为ΔE=(18.012

69-18.011

40)×931.5

MeV=1.2

MeV。

答案:吸能反应

1.2MeV2021/01/2224探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析2021/01/2225探究一探究二问题导引名师精讲典例剖析2021/01/2226123451.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.核力与电荷有关解析:核力是短程力,超过1.5×10-15

m,核力急剧下降几乎消失,故C对;核力与万有引力、电磁力不同,故A、B错;核力与电荷无关,故D错。答案:C2021/01/2227123452021/01/2228123453.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解析:自然界中较轻的原子核质子数与中子数大致相等,较重的原子核中子数大于质子数,故A、B错误;原子核大到一定程度,原子核就不稳定了,故C错误,D正确。答案:D2021/01/2229123454.当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时,放出28.30MeV的能量,当三个α粒子结合成一个碳核时,放出7.26MeV的能量,则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时,释放的能量为(

)A.21.04MeV B.35