高中物理原子核的結(jié)合能教科選修

高中物理原子核的結(jié)合能教科選修第1頁/共36頁3.4原子核的結(jié)合能1.理解原子核的結(jié)合能的概念.2.知道質(zhì)量虧損的概念，了解愛因斯坦的質(zhì)能方程.3.學(xué)會(huì)根據(jù)質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的概念進(jìn)行核能的計(jì)算.學(xué)習(xí)目標(biāo)定位第2頁/共36頁學(xué)習(xí)探究區(qū)一、結(jié)合能和比結(jié)合能二、核能的計(jì)算第3頁/共36頁一、結(jié)合能和比結(jié)合能問題設(shè)計(jì)1.設(shè)有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子在核力作用下靠近碰撞并結(jié)合成一個(gè)氘核.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)子和中子的過程中呢？答案質(zhì)子和中子結(jié)合成原子核的過程中要釋放能量；氘核分解成核子時(shí)要吸收能量.第4頁/共36頁2.如圖1所示，是不同原子核的比結(jié)合能隨核子數(shù)變化的曲線.圖1第5頁/共36頁(1)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(diǎn)？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)合能較大，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，原子越穩(wěn)定.第6頁/共36頁(2)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(shí)是吸收能量還是放出能量？答案放出能量.第7頁/共36頁要點(diǎn)提煉1.結(jié)合能：核子結(jié)合成原子核時(shí)

的能量或原子核分解為核子時(shí)

的能量叫做原子核的結(jié)合能.2.輕核與重核，比結(jié)合能都比較

，

的原子核，比結(jié)合能較大.釋放吸收小中等質(zhì)量第8頁/共36頁重核分裂為兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核的過程，是吸收能量還是釋放能量？兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核時(shí)，是吸收能量還是釋放能量？答案都釋放能量.延伸思考第9頁/共36頁例1使一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核時(shí)，會(huì)放出2.2MeV的能量，則下列說法正確的是(

)A.用能量小于2.2MeV的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核不

能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子B.用能量等于2.2MeV的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核可

能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，它們的動(dòng)能之和為零C.用能量大于2.2MeV的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核可

能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，它們的動(dòng)能之和為零第10頁/共36頁D.用能量大于2.2MeV的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核可

分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，它們的動(dòng)能之和不為零解析中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核所釋放的能量或氘核分解成中子和質(zhì)子所吸收的能量都相等，即為此反應(yīng)的結(jié)合能，只有光子能量大于或等于結(jié)合能，才能使它們分解.又因?yàn)橹凶雍唾|(zhì)子不可能沒有速度，所以動(dòng)能之和不可能為零(若動(dòng)能之和為零就分不開了)，所以A、D正確.答案AD返回第11頁/共36頁問題設(shè)計(jì)二、核能的計(jì)算1.用α粒子轟擊鈹(Be)核發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程甲同學(xué)說：核反應(yīng)過程中核子數(shù)沒變，所以質(zhì)量是守恒的；第12頁/共36頁甲同學(xué)說：核反應(yīng)過程中核子數(shù)沒變，所以質(zhì)量是守恒的；乙同學(xué)查找資料，各個(gè)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＝1.660566×10－27kg)，它通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)之后的質(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.這兩個(gè)同學(xué)的說法對(duì)嗎？如果不對(duì)錯(cuò)在哪里？你對(duì)質(zhì)量虧損是如何理解的？第13頁/共36頁答案甲同學(xué)的說法錯(cuò)誤.核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒；乙同學(xué)的說法錯(cuò)誤.質(zhì)量虧損并不是質(zhì)量的消失.對(duì)質(zhì)量虧損的理解其一，在核反應(yīng)中仍遵守質(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?物體的質(zhì)量應(yīng)包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，質(zhì)量虧損是第14頁/共36頁靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量相聯(lián)系的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量.其二，質(zhì)量虧損也不是核子個(gè)數(shù)的減少，核反應(yīng)中核子個(gè)數(shù)是不變的.第15頁/共36頁2.試計(jì)算上述核反應(yīng)過程中是釋放能量，還是吸收能量？能量變化多少？(其中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＝12.0000u＋1.008665u＝13.008665u第16頁/共36頁所以質(zhì)量虧損Δm＝m1－m2＝13.01479u－13.008665u＝0.006125u.放出的能量ΔE＝Δmc2＝0.006125uc2＝0.006125×1.660566×10－27×(3×108)2J＝9.15×10－13J＝5.719MeV.第17頁/共36頁

要點(diǎn)提煉1.對(duì)質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的理解(1)質(zhì)能方程質(zhì)能方程：愛因斯坦的相對(duì)論指出，物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，其關(guān)系是E＝

.mc2第18頁/共36頁(2)質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消失，減少的質(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.物體質(zhì)量增加，則總能量隨之

；質(zhì)量減少，總能量也隨之

，這時(shí)質(zhì)能u關(guān)系式也寫作ΔE＝

.增加減少Δmc2第19頁/共36頁2.核能的計(jì)算方法(1)根據(jù)Δm計(jì)算①根據(jù)核反應(yīng)方程，計(jì)算核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損Δm.②根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式ΔE＝

計(jì)算核能.其中Δm的單位是

，ΔE的單位是

.Δmc2千克焦耳第20頁/共36頁(2)利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特計(jì)算①明確原子單位u和能量單位電子伏特之間的關(guān)系1u＝1.6606×10－27kg,1eV＝1.602178×10－19J由E＝mc2得E＝eV＝931.5MeV第21頁/共36頁②根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5MeV的能量，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5MeV，即ΔE＝

MeV.其中Δm的單位是

，ΔE的單位是

.Δm×931.5uMeV第22頁/共36頁例2

“原子質(zhì)量單位”是原子物理中常用的一個(gè)特殊質(zhì)量單位，符號(hào)為u.已知碳－12原子的質(zhì)量是12.000000u，一個(gè)碳－12原子可以看作是由6個(gè)氫原子(每個(gè)氫原子的質(zhì)量是1.007825u)和6個(gè)中子(每個(gè)中子的質(zhì)量是1.008665u)組成，求碳－12原子核的結(jié)合能.第23頁/共36頁解析在計(jì)算碳核的質(zhì)量虧損時(shí)，因?yàn)榕c電子的質(zhì)量有關(guān)的部分在相減過程中能消去，所以可以用碳原子的質(zhì)量代替碳原子核的質(zhì)量，用氫原子的質(zhì)量代替質(zhì)子的質(zhì)量.中子的總質(zhì)量：6mn＝6×1.008665u＝6.051990u氫原子的總質(zhì)量：6mH＝6×1.007825u＝6.046950u中子和氫原子的質(zhì)量和：6mn＋6mH＝12.098940u第24頁/共36頁碳－12原子的質(zhì)量：mC＝12.000000u質(zhì)量虧損：Δm＝0.098940u碳－12核的結(jié)合能ΔE＝Δmc2＝0.098940×931.5MeV＝92.2MeV.答案92.2MeV返回第25頁/共36頁課堂要點(diǎn)小結(jié)返回第26頁/共36頁自我檢測(cè)區(qū)1234第27頁/共36頁12341.對(duì)結(jié)合能、比結(jié)合能的認(rèn)識(shí)，下列說法正確的是(

)A.一切原子核均具有結(jié)合能B.自由核子結(jié)合為原子核時(shí)，可能吸收能量C.結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定D.比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定第28頁/共36頁1234解析氫原子核只有一個(gè)質(zhì)子，無結(jié)合能，結(jié)合能并不是原子核所具有的能量，故A錯(cuò)；自由核子結(jié)合為原子核時(shí)，放出能量，故B錯(cuò)；比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，故C錯(cuò)，D對(duì).答案D第29頁/共36頁12342.有一種核反應(yīng)為：

H＋

H→H＋X.已知

H的質(zhì)量為2.0136u，H的質(zhì)量為1.0073u，X的質(zhì)量為3.0180u.則下列說法正確的是(

)A.X是質(zhì)子，該反應(yīng)吸收能量B.X是氕，該反應(yīng)吸收能量C.X是氘，該反應(yīng)釋放能量D.X是氚，該反應(yīng)釋放能量第30頁/共36頁1234解析根據(jù)核反應(yīng)過程中的質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒，X應(yīng)為氚；又2×2.0136u>3.0180u＋1.0073u，所以核反應(yīng)過程中存在質(zhì)量虧損，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程可知該反應(yīng)釋放能量.因此D正確.答案D第31頁/共36頁12343.一個(gè)鈾核衰變?yōu)殁Q核時(shí)釋放出一個(gè)α粒子，已知鈾核的質(zhì)量為3.853131×10－25kg，釷核的質(zhì)量為3.786567×10－25kg，α粒子的質(zhì)量為6.64672×10－27kg.在這個(gè)衰變過程中釋放出的能量等于________J.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)第32頁/共36頁1234解析因?yàn)棣＝mU－mTh－mα＝3.853131×10－25kg－3.786567×10－25kg－6.64672×10－27kg＝9.7×10－30kg故ΔE＝Δmc2＝9.7×10－30×(3×108)2J＝8.7×10－13J答案8.7×10－13第33頁/共36頁12344.鐳核

Ra發(fā)生衰變放出一個(gè)粒子變?yōu)殡焙?/p>

Rn.已知鐳核226質(zhì)量為226.0254u，氡核222質(zhì)量為222.0163u，放出粒子的質(zhì)量為4.0026u.