5.3核力核结合能课件高二下学期物理人教版选择性

物理选择性必修3第五章

原子核

第三节核力与结合能学习目标（看完举手示意）1．知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用。2．知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小。3．理解结合能的概念，知道核反应中的质量亏损。学生自学阅读课本P115-111内容找到书中的知识点、重点、疑难点。完成举手示意阅读过程中标注出书中的关键字、词、句、段。一读、二划、三找、四梳理、五结论自学指导1（限时2分钟）1.阅读课本115-111页核力和四种基本相互作用和结合能部分①核力的概念及特点分别是什么？②四种相互作用分别是什么？③结合能的概念、比结合能的概念分别是什么？①核力的概念及特点分别是什么？②四种相互作用分别是什么？精讲点拨能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，决定了宇宙的现状和未来。电磁力：在原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分子结合成液体与固体。强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子－质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为10-18m，作用强度则比电磁力小。定义：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。核力的特点：⑵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时为引力,距离为1.5×10-15m时核力几乎消失，距离小于0.8×10-15m时为斥力，因此核子不会融合在一起。⑴核力是强相互作用（强力）的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多（比库仑力强137倍）。

⑶核力与电荷无关。（核力与核子电荷无关）⑷核力具有饱和性。每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。1、核力：（1）引力相互作用

引力是自然界的一种基本相互作用，地面物体所受的重力只是引力在地球表面附近的一种表现。2、四种基本相互作用（2）电磁相互作用电荷间与磁体间的相互作用

宏观物体之间的压力、拉力、弹力、支持力等等，都起源于这些电荷之间的电磁相互作用。弹力（3）强相互作用

原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。pnnppn短程力：约在10-15m量级时起作用作用对象特点作用范围举例引力相互作用电磁相互作用强相互作用弱相互作用一切物体之间随距离增大而减弱长程力，宏观重力电荷间、电流间、磁体间引力相互作用长程力，宏观弹力、摩擦力组成原子核的核子之间距离增大时，急剧减小短程力，微观核力基本粒子之间距离增大时，急剧减小，比强相互作用小得多基本粒子间的力短程力，微观3、四种基本相互作用的对比引起原子核β衰变的原因③结合能的概念、比结合能的概念分别是什么？精讲点拨结合能：当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量。比结合能：原子核的结合能与核子数之比称为比结合能，也叫平均结合能。理解：核子结合成原子核时，平均每个核子所释放的结合能，它也等于把原子核拆散成每个核子时，外界提供给每个核子的平均能量。注意：结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把核子分开而需要的能量。意义：它反映了一个原子核稳定程度。比结合能越大，原子核越稳定。

相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，运动速度越来越大，引力势能转化为动能。最后撞在一起，一部分动能变成热并散失掉了。两个物体为了结合而付出了代价——失去了一些能量，如果要把它们分开，还要重新赋予它们能量。宏观现象：

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、让氢原子吸收光子等途径使它得到相应的能量。微观现象：1、结合能：原子核分解成核子时所吸收的能量。吸收27.386MeV

吸收2.2MeV也是核子结合成原子核而释放的能量

组成原子核的核子越多，它的结合能越高。因此，有意义的是它的结合能与核子数之比。2、比结合能（平均结合能）：

意义：它反映了一个原子核稳定程度，比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。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。★★3、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。自学指导1（限时2分钟）2.阅读课本117-118页质量亏损和例题部分①质量亏损的概念是什么？②爱因斯坦质能方程内容是什么？①质量亏损的概念是什么？

②爱因斯坦质能方程内容是什么？精讲点拨质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和。爱因斯坦的质能方程：E＝mc2质量亏损表明原子核内的确存在着结合能。核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm，正表明它们在互相结合过程中放出了能量。ΔE=Δmc2原子分解为核子时，质量增加；核子结合成原子核时，质量减少。原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，叫做质量亏损。1、质量亏损：（组成原子核的核子的质量之和与原子核的质量之差）(3)质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子个数是不变的。

(2)在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒。

质量亏损并不是这部分质量消失或质量转变为能量。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。爱因斯坦

物体的能量和质量之间存在密切的联系，他们的关系是：

核子在结合成原子核时要放出能量，出现质量亏损，大小为：质能方程

物体质量，随着能量的变化，会发生变化。2、爱因斯坦质能方程：E＝mc2

（ΔE＝Δmc2）E＝mc2

ΔE＝Δmc2说明：

（1）质量不是能量、能量也不是质量，质量不能转化能量，能量也不能转化质量，质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。

（2）核反应过程中，质量亏损时，核子个数不亏损(即质量数守恒),可理解为组成原子核后，核内每个核子仿佛“瘦了”一些。（3）质量亏损并非质量消失，而是减少的质量m以能量形式辐射出去了，因此质量守恒定律不被破坏。(1)切记不要误认为亏损的质量转化为能量。核反应过程中质量亏损是静止的质量减少，辐射γ光子的运动质量刚好等于亏损的质量，即反应前后仍然遵循质量守恒和能量守恒。(2)核反应中释放的核能是由于核力做功引起的。特别提醒3、核反应过程中:

核子结合成原子核时,新核质量小于核子的质量(质量亏损),同时以光子形式释放核能;

原子核分解为核子时,需要吸收一定能量,核子的总质量大于原原子核的质量。4、质能方程ΔE=mc2常用单位:

（1）m用“u(原子质量单位)”1u=1.660566×10-27kg

（2）ΔE用“uc2”1uc2=931.5MeV（931.5兆电子伏）

(表示1u的质量变化相当于931.5MeV的能量改变)(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。(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。5、对质能方程E＝mc2的理解(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。物理选择性必修3第五章

原子核

第四节核裂变与核聚变学习目标（看完举手示意）1．知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量。2．知道什么是链式反应。3．了解核聚变的特点及其条件。学生自学阅读课本P119-125内容找到书中的知识点、重点、疑难点。完成举手示意阅读过程中标注出书中的关键字、词、句、段。一读、二划、三找、四梳理、五结论自学指导1（限时2分钟）1.阅读课本119-120页核裂变的发现部分①核裂变的概念是什么？②链式反应的概念是什么？③分析铀核的裂变。2.阅读课本121-123页反应堆和核电站部分①反应堆的构造有哪些？②核能发电的优点、缺点？①核裂变的概念是什么？②链式反应的概念是什么？③分析铀核的裂变。精讲点拨重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为裂变。由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。核裂变：重核受粒子打击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应。1、核裂变⑴铀核裂变的一种典型情形中子轰击铀235中间产物铀236氪89钡1443个中子

（最典型的一种核反应方程式）2、链式反应

当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，这种反应叫核裂变的链式反应。⑴定义：（2）临界体积和临界质量：使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，就有可能不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。只有当铀核足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，使链式反应进行下去。通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量（3）链式反应的条件:①有足够浓度的铀235②有足够数量的慢中子③发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量。发生链式反应爆炸

足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量(criticalmass)。铀-235的临界质量约为1kg，质量超过1kg则发生爆炸。发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。2、①反应堆的构造有哪些？精讲点拨1）铀棒由浓缩铀制成，作为核燃料。2）控制棒由镉做成，用来控制反应速度。3）减速剂由石墨、重水或普通水（有时叫轻水）做成，用来跟快中子碰撞，使快中子能量减少，变成慢中子，以便让U235俘获。4）冷却剂由水或液态的金属钠等流体做成，在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出，确保反应堆的安全。5）水泥防护层用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，防止核辐射。②核能发电的优点、缺点？精讲点拨优点：①污染小；②可采储量大；③比较经济。缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染；②核废料处理困难。通过可控制的链式反应来释放核能的装置。1、反应堆：“热中子（慢中子）”核反应堆示意图水泥防护层控制棒——镉棒燃料棒—铀棒减速剂⑴燃料：铀棒⑵慢化剂：为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水或普通水。⑶控制棒：在铀棒之间插入一些镉棒，利用镉棒吸收中子的能力很强来控制反应速度。镉棒插入的越深，吸收的中子就越多，链式反应的速度就越慢，这样的镉棒叫控制棒。⑷水泥防护层：屏蔽射线防止放射性污染。热中子反应堆的核燃料是铀棒，成分是天然铀或浓缩铀（铀235的含量占2%〜4%）。中子的速度不能太快，否则会与铀235“擦肩而过”，铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变。实验证明，速度与热运动速度相当的中子最适于引发核裂变。这样的中子就是“热中子”，或称慢中子。2、核电站核电站工作流程

第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核心反应放出的热使水的内能增加，水温升高。第一回路的水进入交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆。

在热交换器内，第二回路中的水被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。⑴核电站工作流程⑵核反应堆的防护措施：由1m多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都装在安全壳中。第一道屏障——耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块可以把98%以上的裂变产物滞留在芯块内。第二道屏障——燃料元件包壳由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。第三道屏障——压力壳将燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包壳少量射线泄漏。第四道屏障——安全壳在反应堆外面修建很厚的水泥层，用来屏障裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性。需要装入特制的容器深埋地下。能量输出：利用水或者液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。优缺点：（1）优点：①污染小；②可采储量大；③比较经济。（2）缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染；②核废料处理困难。

核污染的处理：核反应堆各组成部分在核反应中的作用自学指导1（限时2分钟）3.阅读课本123-125页核聚变部分①核聚变的概念是什么？②为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？③聚变的条件有哪些以及实现方法有哪些？④聚变的特点有哪些？以及聚变的实例⑤聚变与裂变相比的优点⑥目前还不能控制热核反应的主要问题？⑦实现核聚变的两种控制方案分别是什么？①核聚变的概念是什么？②为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？③聚变的条件有哪些以及实现方法有哪些？精讲点拨两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫做聚变。因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大。参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10-15m！要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。1、核聚变

一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3-4倍，核反应方程：

其他聚变反应方程:2、核聚变普遍存在于宇宙中恒星科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为3.8×1026J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。太阳聚变反应④聚变的特点有哪些？以及聚变的实例⑤聚变与裂变相比的优点？⑥目前还不能控制热核反应的主要问题？精讲点拨聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以维持反应持续进行下去。核聚变又叫热核反应。聚变与裂变相比的优点优点之一：轻核聚变产能效率高。优点之二：地球上聚变燃料的储量丰富。优点之三：是轻核聚变反应更为安全、清洁。1）热核反应的点火温度很高；2）如何约束聚变所需的燃料；3）反应装置中的气体密度要很低，相当于常温常压下气体密度的几万分之一。⑦实现核聚变的两种控制方案分别是什么？精讲点拨1）磁约束：利用磁场来约束参加反应的物质。2）惯性约束：利用强激光的惯性压力约束参加反应的物质。（1）反应物质量相同的情况下聚变放出的能量比裂变多，产能效率高。相同的核燃料，反应中产生的能量比较多。（2）地球上聚变燃料的储量丰富。每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6亿亿立方米的水，大约有40万亿吨氘。氚可以利用锂来制取，地球上锂储量有2000亿吨。（3）轻核聚变更为安全、清洁。高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是没有放射性的。（4）反应中放射物质的处理较容易，遗留物对环境污染小。氘和氚聚变反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。可控核聚变（热核反应）的优越性：物理选择性必修3第五章

原子核

第五节“基本”粒子学习目标（看完举手示意）1．了解构成物质的“基本粒子”。2．了解粒子物理的发展史。自学指导1（限时2分钟）1.阅读课本126-127页发现新粒子部分①从宇宙线中发现了哪些粒子？这些粒子有什么特点？2.阅读课本128页粒子的分类部分①粒子的分类有哪些②这些粒子的性质都有哪些？③现代科学认为夸克有哪几种？有什么特征？直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒。原子电子质子中子原子核电子云+=1.基本粒子2.粒子不同种类的新粒子质子、中子有复杂结构所以，从20世纪后半期起，就将"基本"二字去掉，统称为粒子。发现各种微粒的科学家道尔顿（原子）汤姆逊（电子）卢瑟福（质子）查德威克（中子）科学家们又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构1、部分新粒子的实验发现年代1932年发现了正电子后来还发现了一些粒子，质量比质子的质量大，叫做超子。1947年发现了K介子和介子1937年发现了子⑴1931——1970年发现的新粒子大型强子对撞机内部设备的一个局部⑵对撞机1932年发明的粒子加速器，能使带电粒子加速到很高的能量。让这些高能粒子彼此对撞，就能产生更多的粒子，这种装置称为对撞机。利用加速器和对撞机，人们发现了更多的粒子。⑶1971——2001年发现的新粒子现在已经发现的粒子达到400多种年份发现的粒子年份发现的粒子1931—1940正电子、u子1971—1980τ子、胶子、J/Ψ介子1941—1950K介子、π介子1981—1990W和Z玻色子1951—1960反质子电子中微子1991—2000τ子中微子1961—1970u子中微子2000年至今希格斯玻色子①研究宇宙线发现新的粒子②利用加速器发现新的粒子1、强子：参与强相互作用的粒子。2、轻子：不参与强相互作用的粒子。电子电子中微子μ子μ子中微子τ子和τ子中微子⑵每种轻子都