1、5 核力与结合能,【自主预习】 1.核力: (1)定义:原子核里的_间存在着的把核子紧紧地 _在核内,形成稳定的原子核的_。,核子,束缚,相互作用,(2)特点。 核力是_(强力)的一种表现。 作用范围在_之内。 核力存在于核子之间,每个核子只跟_的核子发生 核力作用,这种性质称为_。,强相互作用,1.510-15m,相邻,核力的饱和性,2.四种基本相互作用:自然界中存在四种最基本的相 互作用,它们是_、_、电磁相互 作用和引力相互作用。其中强相互作用和弱相互作用 是_,电磁相互作用和引力相互作用是_。 3.较轻原子核:质子数和中子数_。,强相互作用,弱相互作用,短程力,长程力,大致相等,4.较
2、重原子核:中子数_质子数,越重的原子核两者 相差越多。 5.结合能:原子核是核子结合在一起的,要把它们_, 需要能量,这就是原子核的结合能。 6.比结合能:原子核的结合能与_之比称做比结合 能。比结合能越大,表示原子核中核子结合得越_, 原子核越_。_的核的比结合能最大、最稳 定。,大于,分开,核子数,牢固,稳定,中等大小,7.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。,E=mc2,小于,【预习小测】 1.(多选)关于核力,下列说法中正确的是 ( ) A.核力是一种特殊的万有引力,存在于原子核内所有的核子间 B.原子核内只有相邻的两个
3、核子间才有核力作用 C.核力是原子核能稳定存在而“不分崩离析”的原因 D.核力是一种短程强相互作用力,其作用的范围仅在1.510-15m内,【解析】选B、C、D。核力是仅存在于相邻核子间的短程强相互作用力,而万有引力在任何有质量的物体间都存在,且远小于核力,A错,B、D对;因为有了强大的核力平衡了原子核内质子间的库仑力才使原子核稳定存在,C对。,2.太阳因核聚变释放出巨大的能量,同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为41026J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒钟减少的质量最接近 ( ) A.1036kg B.1018kg C.1013kg D.109kg,【解析】选D。根据爱因斯坦的质
4、能方程得:m= kg4.4109kg,D正确。,3. 的核由6个质子与6个中子组成,两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力,则三种力从大到小的排列顺序是( ) A.核力、万有引力、库仑力 B.万有引力、库仑力、核力 C.库仑力、核力、万有引力 D.核力、库仑力、万有引力,【解析】选D。核力是强相互作用力,是它将核子束缚在原子核内;库仑力如果大于核力,原子核内质子就不能存在于这么小的范围内;万有引力最弱,研究核子间相互作用时万有引力可以忽略,所以A、B、C错,选D。,主题一 核力与四种基本相互作用 【互动探究】 1.有的同学认为:“原子核内质子间的库仑斥力,与质子、中子间的万有引力平衡而使原子
5、达到稳定状态”,这种说法正确吗?,提示:不正确。质子之间的库仑斥力的大小与万有引力的大小相差1036倍,两者相差悬殊,不可能平衡。在原子核内一定还存在第三个相互作用力来克服较强的库仑斥力。,2.核力的特点有哪些? 提示:(1)原子核内的质子相距很近,所以库仑斥力很大,然而核力能把它们紧紧地束缚在一起,可见核力是非常强的,所以也叫强相互作用。,(2)核力是短程力,作用范围在1.510-15m之内。核力在大于0.810-15m时,表现为吸引力,且随距离的增大而减小,超过1.510-15m时,核力急剧下降几乎消失;而在距离小于0.810-15m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起。,3.四种基
6、本相互作用各有什么特点? 提示:(1)强相互作用(强力):在原子核内,强力将核子束缚在一起,是短程力。 (2)弱相互作用(弱力):弱相互作用是引起原子核衰变的原因,也是短程力。,(3)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,属于长程力。 (4)引力相互作用:引力主要在宏观和宇观尺度上“独领风骚”,是引力使行星绕着恒星转,并且联系着星系团,决定了宇宙的现状和未来,是长程力。,【探究总结】 1.核力特点: (1)短程:只发生在相邻的核子之间(又叫饱和性)。 (2)与核子电性无关。 (3)属于强相互作用。 2.四种基本相互作用按力
7、的作用距离可分为两类: (1)短程力。 (2)长程力。,【典例示范】 相邻质子间的距离约为r=0.810-15m,电量e=1.60 10-19C,质量mp=1.6710-27kg。求: (1)相邻的两质子间的库仑力和万有引力的比值。 (2)若只存在库仑力,质子的加速度是多大?,【解题指南】解答此题应把握以下两点: (1)把质子看成点电荷,它们之间的距离既是点电荷间的距离,也是它们质心的距离。 (2)应用库仑定律、万有引力定律和牛顿第二定律求解。,【解析】(1)两质子间的库仑力F库= 万有引力 F引= 得 (2)由牛顿第二定律可得质子的加速度为 2.21029m/s2。 答案:(1)1.2103
8、6 (2)2.21029m/s2,【探究训练】 1.关于原子核中质子和中子的说法,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.由于核力的作用范围是有限的以及核力的饱和性,不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在,【解析】选D。原子核中质子数和中子数不一定相等,特别是在原子序数越大的原子核中,中子数比质子数多,且原子序数大的和小的都没有中等质量原子核稳定,故A、B、C错。又由于核力有短程力和饱和性的特点,使原子核不可能无节制地增大,故D正确。,2.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
9、B.核力可使较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】选D。由于原子核带正电,不存在只有中子的 原子核,但核力也不能把较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;自然界中存在一个质子的原子 核, 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。,【补偿训练】 核子结合成原子核或原子核分解为核子时,都伴随着巨大的能量变化,这是因为 ( ) A.原子核带正电,电子带负电,电荷间存在很大的库仑力 B.核子具有质量且相距很近,存在很大的万有引力 C.核
10、子间存在着强大的核力 D.核子间存在着复杂的磁力,【解析】选C。核子结合成原子核,核力做正功,要失去能量,原子核分解成核子要克服核力做功,需要能量,因核力很大,故伴随着巨大的能量变化,库仑力、万有引力、磁力都没有这么强,不可能产生这么大的能量变化,故A、B、D错,C对。,主题二 原子核中质子和中子的比例、 结合能以及质量亏损 【互动探究】 1.为什么自然界中较轻的原子核中质子数和中子数大致相等,较重的原子核中的中子数大于质子数,并且越重的原子核两者相差越多?,提示:(1)在1.510-15m范围内,核力起决定作用,它可以平衡库仑斥力,又能使原子核内的核子紧紧地束缚在一定的范围之内,而不至于让库
11、仑斥力使原子核分裂,在这个范围之外,库仑斥力起主要作用,使得原子核外的电子绕核运动。,(2)随原子核的增大,核子间的距离增大,核力和库仑斥力都会减小,但核力减小得更快,而库仑斥力依然有很强的作用;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斥力,这个原子核就不稳定了;这时,不再成对地增加质子和中子,而只增加中子,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,因而重原子核的中子数要比质子数多。,2.什么是比结合能?什么样的原子核比结合能最大? 提示:(1)核子在核力的作用下结合成原子核要释放一定的核能,把原子核的核子全部分开也要克服核
12、力做功而吸收一定的能量,这种能量就是原子核的结合能。结合能与核子数之比就是比结合能,也叫平均结合能。 (2)中等大小的原子核的比结合能最大(平均每个核子的质量亏损最大),这些核最稳定。,3.核子结合成原子核时,质量减少,说明在核反应过程中质量不守恒,这种说法正确吗?它们是如何转化的? 提示:这种认识是错误的。在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒,所谓的质量亏损并不是这部分质量消失或质量变为能量。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的减少,减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量。,【探究总结】 1.原子核中的质子和中子的比例随原子核的增大,中子 占的比例变大。 2.结合能
13、:核子结合成原子核时释放的能量。 3.比结合能:每个原子核的平均结合能。 (1)中等质量的原子核比结合能最大,这些核也最稳定。 (2)轻核结合成中等质量的原子核或重核分裂为中等质,量的原子核都会释放能量。 4.质量亏损和质能方程E=mc2。,【典例示范】 已知质量为209.98287u的原子核 ,在衰变中辐射 质量为4.00260u的 原子核,变成质量为205.97446u 的 时,(1u=1.660610-27kg,1u=931.5MeV),(1)写出核衰变的反应方程。 (2)求出衰变反应中释放的核能。 (3)假设反应中释放的核能全部转化为铅核和粒子的动能,则粒子和铅核的动能各为多大?,【解
14、题指南】解答本题时应抓住以下三点: (1)书写核反应方程时一定要遵循两个守恒,即质量数和电荷数守恒。 (2)核衰变反应中释放出的核能是由质量亏损造成的,其大小根据爱因斯坦质能方程来计算。 (3)参与核反应的粒子组成的系统,在核反应中满足动量守恒和能量守恒定律。,【解析】(1)衰变方程为 (2)衰变过程中的质量亏损为 m=(209.98287-205.97446-4.00260)u=0.00581u 衰变过程中释放的能量为 E=0.00581931.5MeV=5.41MeV,(3)根据衰变前后的动量守恒,则有p=pPb, 又由 又因核反应释放的能量全部转化为两者的动能,故有 Ek+EkPb=E=
15、5.41MeV 所以有Ek=5.31MeV,EkPb=0.10MeV,答案:(1) (2)5.41MeV (3)5.31 MeV 0.10 MeV,【探究训练】 1.(多选)对结合能、比结合能的认识,下列正确的是 ( ) 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
16、稳定性,故C错误,D正确。,2.质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3。当一个质子和一个中子结合成氘核时,释放的能量是(c表示真空中的光速) ( ) A.(m1+m2-m3)c B.(m1-m2-m3)c C.(m1+m2-m3)c2 D.(m1-m2-m3)c2,【解析】选C。由题意可知,质量的变化量m=m1+m2-m3;根据质能方程E=mc2计算释放的能量为E=(m1+m2-m3)c2。,3.太阳内部持续不断地发生着4个质子 聚变为1个 氦核 的热核反应,核反应方程是 这个核反应释放出大量核能。已知质子、氦核、X的质 量分别为m1、m2、m3,真空中的光速为c。下列说法中正 确的是
17、( ),A.方程中的X表示中子 B.方程中的X表示电子 C.这个核反应中质量亏损m=4m1-m2 D.这个核反应中释放的核能E=(4m1-m2-2m3)c2,【解析】选D。由核反应质量数守恒、电荷数守恒可推 断出X为 ,A、B错;质量亏损为m=4m1-m2-2m3释放的 核能为E=mc2=(4m1-m2-2m3)c2,C错、D对。选D。,【补偿训练】 (多选)(2018邢台高二检测)关于近代物理的相关内容,下列说法正确的是 ( ) A.射线是高速运动的氦原子 B.核聚变反应方程 表示中子,C.从金属表面逸出的光电子的最大初动能与照射光的频率成正比 D.玻尔将量子观念引入原子领域,其理论能够解释
18、氢原子光谱的特征 E.比结合能小的原子核结合成或分解成比结合能大的原子核时一定放出能量,【解析】选B、D、E。粒子是高速运动的氦原子核,A 项错误;由核反应过程的质量数和电荷数守恒可知 表示中子,B项正确;由光电效应方程Ek=h-W可知,C项 错误;由玻尔理论可知,D项正确;由核聚变和核裂变规 律可知,E项正确。,【通法悟道】计算核能的方法 (1)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。,(2)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,就是此次核反应所释放(或吸收)的核能。,【课堂小结】,
