人教版(新教材)高中物理选择性必修3学案：5 3 核力与结合能

人教版(新教材)高中物理选择性必修第三册PAGEPAGE1第3节核力与结合能〖学习目标要求〗1.了解四种基本相互作用，知道核力的特点。2.了解结合能和比结合能。3.知道质量亏损和质能方程。4.会用质能方程计算核能。一、核力与四种基本相互作用1.17世纪下半叶，牛顿发现了万有引力，引力是自然界的一种基本相互作用。2.19世纪后，人们认识到电荷间的相互作用、磁体间的相互作用，从本质上说是同一种相互作用的不同表现，这种相互作用称为电磁相互作用。3.核力(1)定义：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，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多。②核力是短程力，作用范围约10－15__m。4.四种基本相互作用二、结合能和质量亏损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，中等大小的核的比结合能最大、最稳定。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。〖判一判〗(1)组成原子核的核子越多，它的结合能就越大。(√)(2)结合能越大，核子结合得越牢固，原子核越稳定。(×)(3)质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。(√)探究1核力与四种基本相互作用1.核力原子核里的核子间有一种相互作用，把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核，即核力。2.四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用(1)引力相互作用：引力主要在宏观和宇观尺度上“独领风骚”，引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系网，决定着宇宙的现状。万有引力是长程力。(2)电磁相互作用：电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原子结合成分子，使分子结合成液体和固体。(3)强力：即强相互作用，在原子核内，强力将核子束缚在一起，强力是短程力。(4)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。〖例1〗(多选)对于核力，以下说法正确的是()A.核力是弱相互作用，作用力很小B.核力是强相互作用的表现，是强力C.核子之间的距离小于0.8×10－15m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起D.人们对核力的了解很清楚，特别是在小于0.8×10－15m时核力的变化规律更清楚〖答案〗BC〖解析〗核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围在1.5×10－15m之内，核力比库仑力大得多，选项B正确，A错误；核力在大于0.8×10－15m时表现为吸引力。且随距离增大而减小；在距离小于0.8×10－15m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起，选项C正确；人们对核力的了解还不是很清楚，这是科学家们奋力攻克的堡垒，选项D错误。探究2结合能与原子核的稳定性1.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原子核的比结合能要小。2.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。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。〖例2〗(2021·湖北荆州市月考)原子核的比结合能如图所示。下列说法正确的是()A.eq\o\al(6,3)Li核比eq\o\al(4,2)He核更稳定B.eq\o\al(144,56)Ba核比eq\o\al(89,36)Kr核核子数多，比结合能大C.eq\o\al(235,92)U核比eq\o\al(144,56)Ba核结合能大，比结合能小D.两个eq\o\al(2,1)H核结合成eq\o\al(4,2)He核，需要吸收能量〖答案〗C〖解析〗比结合能越大，原子核越稳定，eq\o\al(4,2)He核比eq\o\al(6,3)Li核更稳定，故选项A错误；eq\o\al(144,56)Ba核比eq\o\al(89,36)Kr核核子数多，平均结合能小，故选项B错误；eq\o\al(235,92)U核比eq\o\al(144,56)Ba核核子数多，结合能大，比结核能小，故选项C正确；两个eq\o\al(2,1)H核结合成eq\o\al(4,2)He核，由比结合能小的反应生成比结合能大的，会释放大量能量，故选项D错误。〖针对训练〗关于原子核的结合能，下列说法正确的是()A.原子核的比结合能等于将其完全分解成自由核子所需能量的最小值B.原子核衰变成α粒子和另一原子核，并释放出能量，衰变产物的结合能之和一定小于原来原子核的结合能C.铯原子核(eq\o\al(133,55)Cs)的结合能小于铅原子核(eq\o\al(208,82)Pb)的结合能D.比结合能越大，原子核越不稳定〖答案〗C〖解析〗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，故A错误；原子核衰变成α粒子和另一原子核，要释放能量，衰变产物的结合能之和一定大于原来原子核的结合能，故B错误；铯原子核的比结合能与铅原子核的比结合能差不多，而铯原子核的核子数小于铅原子核的核子数，故铯原子核的结合能小于铅原子核的结合能，故C正确；比结合能越大，原子核越稳定，故D错误。探究3质量亏损和核能的计算1.质量亏损：所谓质量亏损，并不是质量消失，而是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提供。2.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。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，E＝mc2，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；物体质量减少，总能量也随之减少，故质能方程也写成ΔE＝Δmc2。3.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。〖例3〗(多选)(2021·吉林长春市高二期末)关于质能方程，下列说法正确的是()A.有质量亏损的核反应一定是放能反应B.核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变成了能量C.E＝mc2中的E是物体以光速c运动的动能D.由ΔE＝Δmc2，在核反应中，Δm为反应前后原子的静质量之差〖答案〗AD〖解析〗根据质能方程ΔE＝Δmc2可知，有质量亏损，就是放能反应，故A正确；核反应过程中质量没有消失，只是以能量的形式体现，故B错误；爱因斯坦的质能方程E＝mc2，只是说明物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系，E并不是物体以光速c运动的动能，故C错误；根据质能方程ΔE＝Δmc2可知，在核反应中，Δm为反应前后原子的静质量之差，故D正确。〖例4〗一个静止的铀核eq\o\al(232,92)U(原子质量为232.0372u)放出一个α粒子(原子质量为4.0026u)后衰变成钍核Th(原子质量为228.0287u)。u为原子质量单位，1u相当于931.5MeV的能量。(1)写出核衰变反应方程式；(2)该反应中的质量亏损；(3)释放的核能。〖答案〗(1)eq\o\al(232,92)U→eq\o\al(228,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(2)0.0059u(3)5.5MeV〖解析〗(1)根据质量数守恒和电荷数守恒可知核反应方程式为eq\o\al(232,92)U→eq\o\al(228,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(2)质量亏损为Δm＝mU－mTh－mα＝(232.0372－228.0287－4.0026)u＝0.0059u(3)由质能方程可知释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.0059×931.5MeV＝5.5MeV1.(核力与四种基本相互作用)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〖答案〗C〖解析〗核力存在于核子之间，核力与万有引力、电磁力不同，故选项A、B错误；核力是短程力，超过1.5×10－15m，核力急剧下降几乎消失，故选项C正确；核力存在于核子之间，与电荷无关，故选项D错误。2.(结合能与质能方程)(多选)如图是各种元素的原子核中核子的平均质量与原子序数Z的关系图像，由此可知()A.若原子核D和E结合成原子核F，结合过程一定会释放能量B.若原子核D和E结合成原子核F，结合过程一定要吸收能量C.若原子核A分裂成原子核B和C，分裂过程一定会释放能量D.若原子核A分裂成原子核B和C，分裂过程一定要吸收能量〖答案〗AC〖解析〗D和E结合成F，核子平均质量减少，有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程可知，有能量释放，故A正确，B错误；若A分裂成B和C，核子平均质量减少，也有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程可知，有能量释放，故C正确，D错误。3.(质量亏损和核能)某核反应方程为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋X。已知eq\o\al(2,1)H的质量为2.0136u，eq\o\al(3,1)H的质量为3.0180u，eq\o\al(4,2)He的质量为4.0026u，X的质量为1.0087u。则下列说法正确的是()A.X是质子，该反应释放能量B.X是中子，该反应释放能量C.X是