第3节 核反应 结合能

第3节核反应结合能核心素养导学

物理观念(1)知道人工转变、核反应及核反应方程的书写。(2)认识原子核的结合能和比结合能的概念。(3)知道质量亏损和质能方程。科学思维能用质量亏损和质能方程计算核能相关的问题。科学探究结合能、比结合能与原子核的稳定性的关系。科学态度与责任关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。新核质量数电荷数二、原子核结合能1．原子核的结合能：分散的______结合成原子核的过程中所______的能量。2．质量亏损(1)定义：任何一个原子核的质量总是_______组成它的所有核子的质量之和，这一差值称为质量亏损。(2)结合能计算公式：ΔE＝_______。3．爱因斯坦质能方程：E＝_______。核子释放小于Δm·c2m·c2三、比结合能曲线1．比结合能：原子核的结合能ΔE与其_________之比称为该核的比结合能，又称为平均结合能。2．比结合能曲线(1)表示原子核的__________随________变化的情况。(2)曲线特点：“中间高两头低”说明___________的原子核的比结合能较大。核子数A比结合能核子数中等质量1.(1)将一个质子和一个中子结合成一个氘核，能量减小了，是否违反了能量守恒定律？为什么？(2)将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了，是否违反了质量守恒定律？为什么？提示：(1)没有违反能量守恒定律；减少的这部分能量以γ光子的形式释放出去。(2)没有违反质量守恒定律；减小的那部分质量等于γ光子的动质量。2．如图所示为部分原子核的比结合能曲线。(1)图中比结合能最小的是什么原子核？说明什么问题？提示：是氘原子核，说明氘原子核不稳定。(2)随着质量数的增加，比结合能曲线整体上有什么变化规律？提示：随着质量数的增加，比结合能曲线整体上先增大再减小，中等大小核的比结合能最大、最稳定。新知学习(一)|原子核的人工转变和核反应方程[重点释解]1．核反应的条件用α粒子、质子、中子，甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变。2．核反应的实质用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞将原子核打开，而是粒子打入原子核内部使核发生了转变。4．人工转变核反应与衰变的比较不同点原子核的人工转变是一种核反应，是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要一定的装置和条件才能发生，而衰变是原子核的自发变化，它不受物理和化学条件的影响相同点人工转变与衰变过程一样，在发生过程中质量数与电荷数都守恒，反应前后粒子总动量守恒[答案]见解析/易错警示/写核反应方程时应注意以下三点(1)核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单箭头表示反应方向。(2)核反应方程应以实验事实为基础，不能凭空杜撰。(3)核反应过程和衰变现象都遵循电荷数和质量数守恒。质量数守恒不是质量守恒，核反应过程中一般会发生质量的变化。[针对训练]答案：A

2．如图所示是原子核人工转变实验装置示意图，A是α粒子源，F是铝箔，S是荧光屏，在容器中充入氮气后，屏S上出现闪光，该闪光产生的原因是

(

)A．α粒子射到屏S上产生的B．粒子源中放出的γ射线射到屏上产生的C．α粒子轰击铝箔F上打出的某种粒子射到屏上产生的D．α粒子轰击氮核后产生的某种粒子射到屏上产生的解析：充入氮气后，α粒子轰击氮核产生质子，质子穿过铝箔后射到荧光屏上，使荧光屏上出现闪光，故D正确。答案：D

新知学习(二)|对比结合能的理解[重点释解]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，表示该核越稳定。(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；中等质量大小的核比结合能较大，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。[典例体验][典例]

原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的是

(

)[答案]

A/方法技巧/结合能的应用技巧(1)组成原子核的核子越多，结合能越大。(2)结合能与核子个数之比称为比结合能，比结合能越大原子核越稳定。(3)结合能通常只用在原子核中。[针对训练]1．(多选)关于原子核的结合能与平均结合能，下列说法中正确的是

(

)A．原子核的结合能等于核子与核子之间结合成原子核时核力做的功B．原子核的结合能等于核子从原子核中分离，外力克服核力做的功C．平均结合能是核子与核子结合成原子核时平均每个核子放出的能量D．不同原子核的平均结合能不同，重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能大解析：原子核中，核子与核子之间存在核力，要将核子从原子核中分离，需要外力克服核力做功；当自由核子结合成原子核时，核力将做功，释放能量，故A、B正确；对某种原子核，平均每个核子的结合能称为平均结合能，故C正确；不同原子核的平均结合能不同，重核的平均结合能比中等质量原子核的平均结合能要小，故D错误。答案：ABC

答案：A

新知学习(三)|质能方程与核能计算[任务驱动]如图所示是原子核转变示意图。(1)在核反应过程中质量数、电荷数是否守恒？提示：在核反应过程中质量数与电荷数守恒。(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：核反应过程中会发生质量亏损。

[重点释解]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．质能方程E＝mc2爱因斯坦指出，物体的能量(E)和质量(m)之间存在着密切的关系，即E＝mc2，式中c为真空中的光速。爱因斯坦质能方程表明：物体所具有的能量跟它的质量成正比。由于c2这个数值十分巨大，因而物体的能量是十分可观的。3．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。(2)利用原子质量单位u和电子伏特计算根据1u≈931.5MeV的能量，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。其中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV。4．判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法(1)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亏损，则释放能量；若质量增加，则吸收能量。(2)根据动能变化判断，若不吸收光子而动能增加则放出能量。[针对训练]1．下列说法中正确的是

(

)A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系C．核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变成为能量D．因在核反应中能产生能量，且有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒解析：E＝mc2说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，并不是说明能量和质量之间存在相互转化的关系，A错误，B正确；核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变成能量，C错误；在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，在核反应前后只是物质的质量由静质量变成动质量，D错误。答案：B

答案：B

答案：见解析答案：(1)1786MeV

(2)1142.4MeV

783MeV

(3)释放能量139.4MeV解析：该反应放出能量ΔE＝(1.007825u＋7.016004u－2×4.002603u)×931MeV/u≈17.34MeV，入射质子的动能EkH＝2Ekα－ΔE≈0.5MeV，故