第五章原子核學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解四種基本相互作用;結(jié)合學(xué)過的引力和電磁相互作用,理解核力,知道核力的特點,培養(yǎng)自學(xué)、關(guān)聯(lián)整合和知識遷移的能力.2.了解結(jié)合能和比結(jié)合能的概念,知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損,理解能量與質(zhì)量的關(guān)系,并能應(yīng)用質(zhì)量虧損和能量與質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)的計算,培養(yǎng)應(yīng)用物理知識解決實際問題的能力.3

核力與結(jié)合能知識點一

核力與四種基本相互作用1.引力相互作用:引力是自然界的一種基本相互作用,地面物體所受的

只是引力在地球表面附近的一種表現(xiàn).2.電磁相互作用(電磁力):電荷間、

間的相互作用.宏觀物體之間的壓力、

、彈力、支持力等等,都起源于這些電荷之間的電磁相互作用.3.強(qiáng)相互作用.(1)核力:原子核中的

之間存在一種很強(qiáng)的相互作用,即存在一種核力,它使得核子緊密地結(jié)合在一起,形成穩(wěn)定的原子核.這種作用稱為強(qiáng)相互作用.(2)核力特點:核力是核子間的

相互作用的一種表現(xiàn),在原子核的尺度內(nèi),核力比電磁力

;核力是

力,作用范圍只有約10-15m.重力磁體拉力核子強(qiáng)大得多短程4.弱相互作用:在某些

現(xiàn)象中起作用的相互作用.弱相互作用是引起原子核

衰變的原因,即引起中子—質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因.弱相互作用也是

力,其力程比強(qiáng)相互作用更短,只有10-18m.5.核子結(jié)合成原子核或原子核分解為核子時,都伴隨著巨大的能量變化,其原因是什么?放射β短程答案:核子間存在著強(qiáng)大的核力.知識點二結(jié)合能1.結(jié)合能:原子核是

憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的,要把它們分開,也需要

,這就是原子核的結(jié)合能.這個能量也是核子結(jié)合成原子核而釋放的能量.2.比結(jié)合能:原子核的結(jié)合能與

之比,叫作比結(jié)合能,也叫作

結(jié)合能.比結(jié)合能越大,原子核中核子結(jié)合得越牢固,原子核越

.3.一較重的原子核衰變成α粒子和另一原子核,則衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和與原來較重的核的結(jié)合能哪一個大?答案:一較重的原子核衰變成α粒子和另一原子核,核子比結(jié)合能增大,質(zhì)量數(shù)不變,則衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來較重的核的結(jié)合能.核子能量核子數(shù)平均穩(wěn)定知識點三質(zhì)量虧損1.物體的能量與它的質(zhì)量的關(guān)系:E=

.2.質(zhì)量虧損:原子核的質(zhì)量

組成它的核子的質(zhì)量之和的現(xiàn)象.3.不同原子核的比結(jié)合能是

的,中等大小的核的比結(jié)合能

(平均每個核子的質(zhì)量虧損

),這些核最穩(wěn)定.mc2小于不一樣最大最大

小試身手判斷下列說法的正誤并和同學(xué)交流(正確的打“√”,錯誤的打“×”).1.原子核中核子所受的萬有引力和電磁力可以達(dá)到平衡.()2.核力是強(qiáng)相互作用,在任何情況下都比庫侖力大.()3.弱相互作用是引起原子核β衰變的原因.()4.原子核的結(jié)合能就是核子結(jié)合成原子核時需要的能量.()5.比結(jié)合能越大,原子核越穩(wěn)定.()6.E=mc2表明了質(zhì)量與能量間的一種對應(yīng)關(guān)系.()××√×√√探究一

核力問題情境

答案:核子之間還存在著另一種力,即核力.

答案:當(dāng)核子增多時,原子核增大,核子間的距離也增大,而核力是短程力,當(dāng)距離較大時,一些核子間可能就沒有核力的作用了,這樣形成的核不穩(wěn)定,最終會瓦解.因此質(zhì)子與中子不能隨意地組合形成無數(shù)不同的原子核.3.自然界中存在的元素是有限的.為什么質(zhì)子與中子不能隨意地組合從而形成無數(shù)不同的原子核?過程建構(gòu)1.對四種基本相互作用的理解.(1)引力相互作用:引力主要在宏觀和宏觀尺度上“獨領(lǐng)風(fēng)騷”,引力使行星繞著恒星轉(zhuǎn),并且聯(lián)系著星系團(tuán),決定著宇宙的現(xiàn)狀.萬有引力是長程力.(2)電磁相互作用:電磁力在原子核外,使電子不脫離原子核而形成原子,使原子結(jié)合成分子,使分子結(jié)合成液體和固體.(3)強(qiáng)相互作用:在原子核內(nèi),強(qiáng)相互作用將核子束縛在一起,強(qiáng)相互作用是短程力.(4)弱相互作用:弱相互作用是引起原子核β衰變的原因,即引起中子—質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因;弱相互作用也是短程力,其力程比強(qiáng)相互作用更短,為10-18m.2.對核力的理解.(1)核力是四種相互作用中的強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn).(2)核力是短程力,約在10-15m數(shù)量級時起作用,當(dāng)距離為1.5×10-15m時核力幾乎消失.(3)核力具有飽和性.穩(wěn)定的質(zhì)量較大的原子核里,中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多.由于核力的作用范圍是有限的,核力具有飽和性,如果我們繼續(xù)增大原子核,一些核子間的距離會大到其間根本沒有核力的作用,這時即使再增加中子,形成的核也一定是不穩(wěn)定的.所以,原子核大小也受到限制.核子只跟相鄰的核子產(chǎn)生較強(qiáng)的核力,而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用.(4)核力與核子是否帶電無關(guān),質(zhì)子與質(zhì)子間、質(zhì)子與中子間、中子與中子間都可以有核力作用.【典例1】下列關(guān)于核力的說法正確的是 (

)A.核力同萬有引力沒有區(qū)別,都是物體間的相互作用B.核力就是電磁力C.核力是短程力D.核力與電荷有關(guān)解析:核力與萬有引力和電磁力不同,距離增大時,核力急劇減小,核力是短程力,選項A、B錯誤,選項C正確.核力與電荷無關(guān),選項D錯誤.答案:C探究二結(jié)合能問題情境假設(shè)一個質(zhì)子和一個中子在核力作用下靠近碰撞并結(jié)合成一個氘核.1.質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核的過程中是釋放能量還是吸收能量?使氘核分解為質(zhì)子和中子的過程呢?答案:質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核的過程中要釋放能量;氘核分解成質(zhì)子和中子時要吸收能量.2.右圖是不同原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化的曲線.從圖中看出,中等質(zhì)量的原子核與重核、輕核相比,比結(jié)合能有什么特點?比結(jié)合能的大小反映了什么?答案:中等質(zhì)量的原子核比結(jié)合能最大.比結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定性,比結(jié)合能越大,原子核越穩(wěn)定.3.比結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化為比結(jié)合能較大的原子核時是吸收能量還是釋放能量?答案:釋放能量.過程建構(gòu)1.對結(jié)合能和比結(jié)合能的理解.(1)結(jié)合能是核子結(jié)合成原子核時釋放的能量,也是將原子核的核子分開時需要的能量.(2)比結(jié)合能反映了原子核結(jié)合的穩(wěn)定程度或分裂的難易程度.2.比結(jié)合能與原子核穩(wěn)定程度的關(guān)系.(1)比結(jié)合能的大小能夠反映原子核的穩(wěn)定程度,比結(jié)合能越大,原子核就越難分開,表示該原子核就越穩(wěn)定.(2)核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核,比結(jié)合能都比較小,表示原子核不太穩(wěn)定;中等核子數(shù)的原子核,比結(jié)合能較大,表示原子核較穩(wěn)定.(3)當(dāng)比結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成比結(jié)合能較大的原子核時,就能釋放核能.例如,一個核子數(shù)較大的重核分裂成兩個核子數(shù)小一些的核,或者兩個核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個核子數(shù)大一些的核,都能釋放出巨大的核能.【典例2】關(guān)于結(jié)合能和比結(jié)合能的說法正確的是(

)A.核子結(jié)合成原子核吸收的能量或原子核分解成核子放出的能量稱為結(jié)合能B.比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,因此它的結(jié)合能也一定越大C.重核與中等質(zhì)量原子核相比較,重核的結(jié)合能和比結(jié)合能都大D.中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能均比輕核的要大答案:

D解析:核子結(jié)合成原子核時放出能量,原子核分解成核子時吸收能量,選項A錯誤.比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,但比結(jié)合能越大的原子核,其結(jié)合能不一定大,例如,中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比重核的大,但由于核子數(shù)比重核的少,其結(jié)合能比重核的小,選項B、C錯誤.中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比輕核的大,它的原子核內(nèi)核子數(shù)又比輕核的多,因此它的結(jié)合能也比輕核的大,選項D正確.探究三質(zhì)量虧損和核能的計算問題情境兩個核子數(shù)很小的輕核氘、氚結(jié)合成一個核子數(shù)大一些的氦核,原子核轉(zhuǎn)變示意圖如下圖所示.1.在核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)是否守恒?答案:在核反應(yīng)中,質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒.2.在該核反應(yīng)過程中會釋放出能量,反應(yīng)前后原子核的質(zhì)量是否發(fā)生變化?答案:發(fā)生變化,質(zhì)量會減少.

答案:甲同學(xué)的說法錯誤,核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒.(2)乙同學(xué)查找資料,得知各個原子核或核子的質(zhì)量如下:mBe=9.01219u,mC=12.000u,mα=4.0026u,mn=1.008665u.其中1u=1.660566×10-27

kg.他通過計算發(fā)現(xiàn)反應(yīng)之后的總質(zhì)量減少了,于是他得出結(jié)論:核反應(yīng)過程中質(zhì)量消失了.乙同學(xué)的說法正確嗎?為什么?答案:乙同學(xué)的說法錯誤,質(zhì)量虧損并不是質(zhì)量消失.(3)通過乙同學(xué)查找的原子核或核子的質(zhì)量,試判斷上述核反應(yīng)過程中是釋放能量,還是吸收能量,并計算能量變化了多少.真空中的光速c=3×108m/s.答案:反應(yīng)前的總質(zhì)量m1=mBe+mα=9.01219u+4.0026u=13.01479u,反應(yīng)后的總質(zhì)量m2=mC+mn=12.000u+1.008665u=13.008665u,所以質(zhì)量虧損Δm=m1-m2=13.01479u-13.008665u=0.006125u,放出的能量ΔE=Δmc2=0.006125u·c2=0.006125×1.660566×10-27×(3×108)2J=9.15×10-13J=5.719MeV.1.對質(zhì)量虧損的理解.(1)核反應(yīng)仍遵守質(zhì)量守恒和能量守恒,所謂的質(zhì)量虧損并不是這部分質(zhì)量消失或質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?(2)物體的質(zhì)量應(yīng)包括靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量.質(zhì)量虧損是靜止質(zhì)量的減少,減少的靜止質(zhì)量在核子結(jié)合成核的過程中以能量的形式輻射出去了,轉(zhuǎn)化為和輻射能量相聯(lián)系的運動質(zhì)量.(3)從質(zhì)量虧損可知,質(zhì)量是物體具有能量的多少及能量轉(zhuǎn)變多少的一種量度.2.對E=mc2的理解.(1)E=mc2說明一定的質(zhì)量總是跟一定的能量相聯(lián)系.具體地說,一定質(zhì)量的物體所具有的總能量是一定的,E=mc2不是單指物體的動能、核能或其他哪一種能量,而是物體所具有的各種能量的總和.過程建構(gòu)(2)根據(jù)E=mc2,物體的總能量與其質(zhì)量成正比.物體質(zhì)量增加,總能量隨之增加;質(zhì)量減少,總能量也隨之減少.這時E=mc2也寫成ΔE=Δmc2.3.核能的計算方法.(1)根據(jù)質(zhì)量虧損計算.①根據(jù)ΔE=Δmc2計算.其中Δm的單位是千克,ΔE的單位是焦耳.②利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特計算.1u相當(dāng)于931.5MeV的能量,ΔE=Δm×931.5MeV,其中Δm的單位為u,ΔE的單位為MeV.(2)利用平均結(jié)合能來計算.原子核的結(jié)合能=核子的平均結(jié)合能×核子數(shù).(3)利用核反應(yīng)前后結(jié)合能之差來計算.核反應(yīng)中反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的所有新核的總結(jié)合能之差,就是該次核反應(yīng)所釋放(或吸收)的核能.4.判斷核反應(yīng)過程是釋放能量還是吸收能量的方法.(1)根據(jù)反應(yīng)前后質(zhì)量的變化情況進(jìn)行判斷.若質(zhì)量減少,即發(fā)生了質(zhì)量虧損,則釋放能量;若質(zhì)量增加,則吸收能量.(2)根據(jù)動能變化判斷.若不吸收光子而動能增加,則放出能量.

核能的兩種單位換算技巧(1)若以kg為質(zhì)量虧損Δm的單位,則計算時應(yīng)用公式ΔE=Δmc2,核能的單位為J.(2)若以原子質(zhì)量單位“u”為質(zhì)量虧損Δm的單位,則ΔE=Δm×931.5MeV,核能的單位為MeV.(3)兩種單位的換算:1MeV=1×106×1.6×10-19J=1.6×10-13J.課堂評價1.(多選)關(guān)于核力,下列說法正確的是

(

)A.核力是一種特殊的萬有引力B.原子核內(nèi)只有質(zhì)子和質(zhì)子間有核力作用,中子和中子之間、質(zhì)子和中子之間沒有核力作