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1、5 核力与结合能,一、核力与四种基本相互作用 1.核力:原子核里的_间存在着相互作用的核力, _把核子紧紧地束缚在核内,形成稳定的原子核。 2.核力特点: (1)核力是核子间的_的一种表现,在它的作 用范围内,核力比库仑力_。,核力,强相互作用,大得多,核子,(2)核力是_,作用范围在_之内。 (3)每个核子只跟_的核子发生核力作用,这也称为 核力的_。 (4)核力与核子是否带电无关,质子与质子间、质子与 中子间、中子与中子间都可以有核力作用。,短程力,1.51015m,邻近,饱和性,3.四种基本相互作用:,更短,电磁,力,万有引力,二、原子核中质子与中子的比例 (1)自然界中较轻的原子核,质

2、子数与中子数大致 _。 (2)较重的原子核,中子数_质子数,越重的元素,两 者相差越多。,相等,大于,三、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_,这就是原子核的结合能。,能量,(2)比结合能(平均结合能):原子核的结合能与_ 之比称为比结合能。比结合能_,原子核中核子结 合得越牢固,原子核越稳定,_的核的比结合能 最大、最稳定。,核子数,越大,中等大小,2.质量亏损: (1)爱因斯坦质能方程_。 (2)质量亏损:原子核的质量_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m,与它 们在互相

3、结合过程中放出的能量E的关系是 _。,E=mc2,小于,E=mc2,3.比结合能应用前景: (1)中等大小的核的比结合能_,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_新的结合能。,最大,释放,【预习诊断】 1.请判断下列说法的正误。 (1)弱相互作用的力程比强力更短。( ) (2)原子核大到一定程度就不稳定了。( ) (3)结合能越大,核子结合得越牢固,原子越稳定。 ( ) (4)质量亏损表明,的确存在着原子核的结合能。( ),提示:(1)。弱相互作用的力程比强力更短,为 10-18m。 (2)。原子核大到一定程度,核力不足以平衡它们之间的库

4、仑力,原子核就不稳定了。 (3)。比结合能越大,核子结合得越牢固,原子越稳定,而不是结合能。 (4)。质量亏损表明,的确存在着原子核的结合能。,2.在自然界中,对于较重的原子核的中子数和质子数的比例关系,下列说法正确的是( ) A.中子数等于质子数 B.中子数小于质子数 C.中子数大于质子数 D.无法确定,【解析】选C。原子核越重,原子间库仑斥力就越大,而中子数多于质子数,因中子与其他核子间没有库仑斥力,但有相互吸引的核力,所以才有助于维系原子核的稳定,故稳定的重原子核里,中子数要比质子数多。故正确答案为C。,3.下面关于核力的说法中,正确的是( ) A.核力是核子间的弱相互作用力 B.核力起

5、作用的距离约10-12m C.原子核内的某一核子与其他核子间都有核力作用 D.原子核内每个核子只跟与它们相邻的核子间才有核力作用,【解析】选D。核力是核子间的强相互作用力,核力只在10-15m的短距离起作用,所以A、B选项错误;核力具有饱和性,核子只与相邻的少数核子之间存在核力,所以C选项错误,D选项正确。,知识点一 根据核力的性质解释原子核的稳定性 探究导入: 如图为3H和3He的原子核结构示意图。,(1)质子都带正电,质子与质子之间存在着库仑斥力,为什么3He还能稳定地存在? (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:(1)因为质子之

6、间除了存在库仑斥力还存在核力。 (2)因为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。,【归纳总结】 1.核力的性质: (1)核力是四种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0.810-15m时为引力,距离小于0.810-15m时为斥力,距离为1010-15m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

7、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: 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。,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。 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。,

8、【典例探究】 考查角度1 核力的性质 【典例1】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1.510-15m之内 D.核力与电荷有关,【解析】选C。核力是短程力,超过1.510-15m。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不对。核力与电荷无关,故D错。,考查角度2 原子核中质子与中子的比例 【典例2】关于质子和中子的说法,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.对于较重的原子核,由于核力的作用范围是有限

9、的,以及核力的饱和性,如果继续增大原子核,形成的核也一定是不稳定的,【解析】选D。自然界中较轻的原子核,质子数与中子数大致相等,对于较重的原子核,中子数大于质子数,越重的元素,两者相差越多。因此正确答案选D。,【过关训练】 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0.810-15m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0.810-15m时核力的变化规律更清楚,【解析】选B、C。核力是强相互作用的一种表现,它的 作用范围在1.510-15m之内,核力比库

10、仑力大得多。因 此,选项B正确,A错误。核力在大于0.810-15m时表现 为吸引力,且随距离增大而减小;在距离小于0.810-15m 时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起,所以选 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,故D项不正确。,2.(多选)关于原子内的相互作用力说法正确的是( ) A.原子核与电子之间的作用力主要是电磁力 B.中子和质子间的作用力主要是核力 C.质子与质子间的核力,在2.010-15m的距离内远大于它们相互间的库仑力 D.原子核与电子之间的万有引力大于它们之间的电磁力,【解析】选A、C。电子在原子核与电子之间库仑力的作用下绕原子核做

11、圆周运动,选项A正确,D错误;中子和质子、质子与质子间的核力,主要是表现在相邻的核子之间,在2.010-15m的距离内远大于它们相互间的库仑力,大于1010-15m的距离核力几乎为零,故选项C正确,B错误。,【补偿训练】 下列说法正确的是( ) A.质子数与中子数相等的原子核最稳定 B.若两个核子间的距离为1.210-15m,则它们间的核力表现为引力 C.两个核子间的核力一定为引力 D.两个质子间的核力与库仑力一定是一对平衡力,【解析】选B。中等质量的原子核最稳定,但这些原子核内的质子数和中子数不一定相等,A错误;两个核子间的距离0.810-15mr1.510-15m时表现为引力,r0.8 1

12、0-15m时表现为斥力,B正确,C错误。一个质子可以受到多个质子对它的库仑力作用,而核力只发生在相邻的核子间,两个质子间的核力与库仑力不一定形成平衡力,D错误。,知识点二 结合能与原子核的稳定性 探究导入: 如图所示为原子核的比结合能示意图。,(1)随着质量数的增加,比结合能曲线整体上有什么变化规律? (2)比结合能的大小与原子核的稳定性有什么关系?,提示:(1)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。 (2)比结合能越大原子核越稳定。,【归纳总结】 1.结合能:要把原子核分开成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量。 2.比结合能:等于原子核

13、的结合能与原子核中核子个数的比值,它反映了原子核的稳定程度。,3.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。,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

14、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。,【典例探究】 【典例】(多选)对结合能、比结合能的认识,下列说法正确的是( ) A.一切原子核均具有结合能 B.自由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】选A、D。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赋予相应的能量,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。,【过关训练】 1.(

15、多选)关于结合能,下列说法中正确的是( ) A.原子核的结合能越大,原子核越稳定 B.原子核越大,它的结合能就越大 C.把组成原子核的核子完全分开,需要的能量就是原子的结合能 D.中等大小的核比结合能最小,【解析】选B、C。比结合能越大,原子核越稳定,A选项错误;原子核越大,它的结合能越大,B选项正确;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,C选项正确;中等质量的原子核的比结合能最大,D选项错误。,2.一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】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

16、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 答案:,【补偿训练】 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.若放出的射线为射线,则分解过程中存在弱相互作用,【解析】选A、D。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、中的某一种,不可能是X射线,C错误;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。,2.下列说法

17、正确的是( ) A.两个结合能小的原子核结合成一个结合能大的原子核一定要吸收能量 B.比结合能就是原子核的能量与核子数的比 C.比结合能就是两种原子核的结合能之比 D.铁元素的比结合能大于氢元素的比结合能,【解析】选D。吸收或放出能量取决于比结合能大小,与结合能大小无关,两个轻核结合成一个较大质量的核要放出能量,A错误;比结合能是结合能与核子数之比, B、C均错误;中等质量的铁核的比结合能远大于氢核的比结合能,D正确。,知识点三 质量亏损与质能方程 探究导入: 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? (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

18、是否会发生变化?,提示:(1)在核反应过程中质量数与核电荷数守恒。 (2)核反应过程中会发生质量亏损。,【归纳总结】 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.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

19、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E=mc2。 (3)质能方程的本质: 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;,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; 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。

20、,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m。 (2)根据爱因斯坦质能方程E=mc2计算核能。 其中m的单位是千克,E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

21、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。,【典例探究】 考查角度1 核反应中质量亏损的理解 【典例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】选B。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,

22、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。故正确选项为B。,考查角度2 质能方程的应用 【典例2】用中子轰击锂核( )发生核反应,生成氚核 ( )和另外一个粒子,并放出4.8MeV的能量。 (1)写出核反应方程。 (2)求出质量亏损。,【解析】(1)利用电荷数守恒可得粒子的电荷数为2,利 用质量数守恒可得粒子的质量数为4,所以粒

23、子为氦原 子核,核反应方程为: (2)依据E=m931.5MeV得m= 0.0052u 答案:(1) (2)0.0052u,【过关训练】 1.(多选)对公式E=mc2的正确理解是( ) A.如果物体的能量减少了E,它的质量也一定相应地减少m B.如果物体的质量增加了m,它的能量也一定相应地增加mc2 C.m是某原子核在衰变过程中增加的质量,D.在把核子结合成原子核时,若放出的能量是E,则这些核子的质量和与组成原子核的质量之差就是m,【解析】选A、B、D。一定的质量对应于一定的能量,物体的能量减少了E,它的质量也一定相应地减少m,即发生质量亏损,所以选项A、D正确。如果物体的质量增加了m,它的能

24、量一定相应地增加mc2,所以选项B正确。某原子核在衰变时,一定发生质量亏损,所以选项C错误。,2.氘核与氚核的聚变反应 +17.6 106eV,已知普朗克常量h=6.610-34Js,求: (1)核反应式中的X是什么粒子? (2)这一过程的质量亏损是多少? (3)1g氘核完全参与上述反应,共释放核能多少?阿伏伽 德罗常量NA=6.01023mol-1。,【解析】(1)由质量数和电荷数守恒可知,氘核与氚核 的聚变反应 +17.6106eV,X的质量数 是1,电荷数是0,故X是中子。 (2)根据爱因斯坦的质能方程E=mc2,得 m= =3.110-29kg (3)1g氘核完全与氚核发生聚变反应释放

25、的核能为: E= 17.6106eV=5.281030eV=8.4481011J,答案:(1)中子 (2)3.110-29kg (3)8.4481011J,【补偿训练】 雷蒙德戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(e)而 获得了2002年度诺贝尔物理学奖,他探测中微子所用的 探测器的主体是一个储满615t四氯乙烯(C2Cl4)溶液的 巨桶,电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核,其 核反应方程式为 ,已知 核的质量为36.95658 u， 核的质量为36.95691 u, 的质量,为0.00055u,1 u质量对应的能量为931.5MeV。根据以上数据,试计算参与上述反应的电子中微子的最小能量。,

26、【解析】在核反应过程中出现了质量盈余,即 m=mAr+me-mCl=(36.95691+0.00055-36.95658)u= 0.00088u。 电子中微子的最小能量为 E=m931.5MeV=0.00088931.5MeV=0.82MeV。 答案:0.82MeV,【拓展例题】考查内容:对质能方程的理解 【典例示范】(多选)关于质能方程,下列说法中正确的是( ) A.质量减少,能量就会增加,在一定条件下质量转化为能量 B.物体获得一定的能量,它的质量也相应地增加一定值,C.物体一定有质量,但不一定有能量,所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系 D.某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的,【解析】选B、D。质能方程E=mc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的,能量增加某一定值时,它的质量也相应地增加一定值,并可根据E=mc2进行计算,所以B、D正确。,