第3节　核力与核能

第3节核力与核能核心素养点击物理观念1.知道核力、核素的概念，知道核力的性质。2.知道四种基本相互作用及特点。3.认识原子核的结合能与平均结合能。4.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问题。科学探究结合能、平均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。1．填一填(1)核力：把原子核中的

维系在一起的力。(2)核力特点①核力是一种

作用。②核力是

力，作用范围不能从一个原子核延伸到另一个原子核，仅存在两相邻的核子之间。(3)核素：具有一定

数和中子数的原子核称为核素。核子强相互短程质子(4)核素图：用横坐标表示质子数，纵坐标表示中子数，每一种

用一小方块表示，所得到的图像称为核素图(如图所示)。核素(5)核的稳定性①核素的稳定区：稳定核素几乎全落在

上，或紧靠曲线的两侧的区域。②稳定核素的中子数与质子数的关系：随着

的增加，稳定核素的中子数越来越

质子数。(6)四种基本相互作用一条曲线质子数大于2．判一判(1)原子核内的质子间均存在核力和库仑力。

(

)(2)稳定原子核的质子数总是与中子数相等。

(

)(3)对质子数较多的原子核，其中的中子数起到增加核力、维系原子核稳定的作用。(

)3．想一想核子之间都有相互作用的核力，说明核力与电荷有什么关系？质子之间除了核力外还有什么作用力？提示：核力与电荷无关。质子之间除了核力外还有万有引力、库仑力。××√1．填一填(1)原子核的结合能：

结合成原子核所

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

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)平均结合能：原子核的结合能与其

之比称为该核的平均结合能，又称为比结合能。重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能要

；轻核的平均结合能比稍重的核的平均结合能要

。核子释放小于核子Δmc2质量数小小2．判一判(1)原子核的核子数越多，平均结合能越大。

(

)(2)质量亏损是因为这部分质量转化为能量。

(

)(3)结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定。

(

)3．想一想如图所示为部分原子核的比结合能曲线。×××(1)上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。提示：核子之间还存在着核力作用。(2)自然界中存在的元素是有限的，为什么质子与中子不能随意地组合从而形成无数不同的原子核？提示：当核子增多时，原子核增大，核子间的距离也增大，当距离较大时，一些核子间可能就没有核力的作用了，这样形成的核不稳定，最终会瓦解。因此质子与中子不能随意地组合形成无数不同的原子核。

[重难释解]1．核力的性质(1)核力是四种基本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时表现为引力，距离小于0.8×10－15m时表现为斥力，距离为10×10－15m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。2．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。[解析]原子核中原子数和中子数不一定相等，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。[答案]

D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。[素养训练]1．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．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H，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。答案：D

2．(多选)核子结合成原子核的下列说法中，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n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．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解析：由于核力为短程力，只会发生在相邻核子之间，由此知A、B错误；当n个核子靠近到核力作用范围内，而距离大于0.8×10－15m时，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，形成原子核后距离一般不小于0.8×10－15m，故C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，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正确。答案：CD

如图所示为不同原子核的平均结合能随核子数变化的图线。(1)平均结合能的大小与核子数的关系如何？提示：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量的原子核的平均结合能要小。(2)平均结合能越大的原子核，结合能越大吗？提示：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，结合能小的原子核，平均结合能不一定小，相对来说，平均结合能更有意义，它反映了原子核结合的稳定程度或分裂的难易程度。

[重难释解]1．结合能和平均结合能由于核力的存在，核子结合成原子核时要放出一定的能量，原子核分解成核子时，要吸收同样多的能量，核反应中放出或吸收的能量称为结合能。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，表示原子核结合得越牢固，原子核越稳定。2．结合能与电离能要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、赋予光子等途径让它得到13.6eV的能量，这个能量实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，而结合能一词只用在原子核中。3．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。从图中可看出，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量的原子核要小。4．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。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。[素养训练]1．(多选)某种原子序数大于90的原子核不稳定，分裂成三个质量较小的新核和某种射线，关于该分解过程正确的是

(

)A．一定放出能量B．新核的比结合能更小C．放出的射线可能为X射线D．若放出的射线为β射线，则分解过程中存在弱相互作用解析：分裂后的原子核的质量数比分裂前小，所以比结合能增大，一定放出能量，A正确，B错误；放出的射线只可能是α、β、γ中的某一种，不可能是X射线，C错误；β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转化为质子时起作用，故D正确。答案：AD

如图所示是原子核转变示意图。(1)在核反应过程中质量数、核电荷数是否守恒？提示：在核反应过程中质量数与核电荷数守恒。(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。

[重难释解]1．质量亏损所谓质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成原子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。总之，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们之间的关系就是E＝mc2。2．能量与质量的关系——质能方程E＝mc2(1)质能方程说明，一定的质量总是跟一定的能量相联系的。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，等于光速的平方与其质量之积，这里所说的总能量，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。(2)根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比。物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写作ΔE＝Δmc2。(3)质能方程的本质①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(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，方程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决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。3．核能的计算方法根据质量亏损计算(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。(3)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。(4)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，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能。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质量亏损，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。(2)若放出的能量全部变为新生核的动能，求新生的质子与氚核的动能之比；(3)若放出的能量全部变为新生核的动能，则质子具有的动能是多少？(保留三位有效数字)核能的两种单位换算技巧(1)若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2。(2)若以原子质量单位“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。2．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

3．取质子的质量mp＝1.6726×10－27kg，中子的质量mn＝1.6749×10－27kg，α粒子的质量mα＝6.6467×10－27kg，光速c＝3.0×108m/s。请计算α粒子的结合能。(计算结果保留两位有效数字)解析：组成α粒子的核子与α粒子的质量差Δm＝(2mp＋2mn)－mα结合能ΔE＝Δmc2代入数据得ΔE＝4.3×10－12J。答案：4.3×10－12

J二、注重学以致用和思维建