核力與結(jié)合能.ppt

1、,一、原子核中質(zhì)子和中子的比例關(guān)系,1.原子核中核子比例關(guān)系： 自然界中較輕的原子核， 質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等； 對于較重的原子核，中子 數(shù)大于質(zhì)子數(shù).越重的原 子核，兩者相差越多，如 圖所示.,2.原子核的穩(wěn)定性 (1)原子核大到一定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力非常小，較多的質(zhì)子聚集在一起的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，原子核就不穩(wěn)定了.這時(shí)，如果不再成對地增加質(zhì)子和中子，而只增加中子，中子與其他核子間沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，有助于維系原子核的穩(wěn)定性.,(2)核力的飽和性.穩(wěn)定的重原子核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多.由于核子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，

2、一些核子間的距離會大到其間根本沒有核力的作用，這時(shí)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.,(1)質(zhì)子間核力不能平衡它們之間的庫侖力會導(dǎo)致原子核的不穩(wěn)定. (2)由于核力具有飽和性，如果無限制地增大原子核也會導(dǎo)致原子核不穩(wěn)定.,【典例1】對核子結(jié)合成原子核的下列說法正確的是( ) A.原子核內(nèi)的核子間均存在核力 B.原子核內(nèi)的質(zhì)子間均存在核力和庫侖力 C.穩(wěn)定原子核的質(zhì)子數(shù)總是與中子數(shù)相等 D.對質(zhì)子數(shù)較多的原子核，其中的中子數(shù)起到增加核力、維系原子核穩(wěn)定的作用,【解題指導(dǎo)】解答本題應(yīng)把握以下關(guān)鍵點(diǎn)：,【標(biāo)準(zhǔn)解答】選D.核力是短程力，只會發(fā)生在相鄰核子之間，由此知

3、A、B錯(cuò)誤；核力只作用于相鄰的核子，隨著質(zhì)子數(shù)增加，為使原子核保持穩(wěn)定，必須靠中子數(shù)的增多來抵消庫侖力的作用，故C錯(cuò)誤,D正確.,【變式訓(xùn)練】關(guān)于原子核中質(zhì)子和中子的說法，正確的 是( ) A.原子核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)一定相等 B.穩(wěn)定的重原子核里，質(zhì)子數(shù)比中子數(shù)多 C.原子核都是非常穩(wěn)定的 D.由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，如果不斷地增大原子核，形成的核也一定是不穩(wěn)定的,【解析】選D.自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對于較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多，故D項(xiàng)正確.,二、比結(jié)合能與原子核穩(wěn)定性的關(guān)系,1.比結(jié)合能曲線：不同原子核的比結(jié)合能

4、隨質(zhì)量數(shù)變化圖線如圖所示. 從圖中可看出，中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能最大，輕核和重核的比結(jié)合能都比中等質(zhì)量的原子核要小.,2.比結(jié)合能與原子核穩(wěn)定性的關(guān)系 (1)比結(jié)合能的大小能夠反映核的穩(wěn)定程度，比結(jié)合能越大，原子核就越難拆開，表示該核就越穩(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(shí)，就可釋放核能，例如，一個(gè)核子數(shù)較大的重核分裂成兩個(gè)核子數(shù)小一些的核，或者兩個(gè)核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個(gè)核子數(shù)大一些的核，都能釋放出巨大的核能.,比結(jié)合能比結(jié)合能

5、更有意義，它反映了原子核結(jié)合的穩(wěn)定程度或分裂的難易程度.,【典例2】如果把168O分成8個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子，要給它多少能量？把它分成4個(gè)42He，要給它多少能量？已知168O的核子比結(jié)合能是7.98 MeV，42He的核子比結(jié)合能是7.07 MeV. 【解題指導(dǎo)】(核子數(shù))(比結(jié)合能)=原子核分成核子所需能量.,【標(biāo)準(zhǔn)解答】把168O分成質(zhì)子和中子需提供的能量 E1=167.98 MeV=127.68 MeV. 將質(zhì)子和中子結(jié)合成一個(gè)42He所放出的能量 E2=47.07 MeV=28.28 MeV. 則將168O分成4個(gè)42He需提供的能量 E=E1-4E2=127.68 MeV-428.28

6、 MeV=14.56 MeV.,【規(guī)律方法】 結(jié)合能與電離能 無論質(zhì)子和質(zhì)子之間，中子和中子之間，還是質(zhì)子和中子之間，都存在核力，它們結(jié)合成原子核時(shí)釋放的能量叫結(jié)合能. 要使氫原子電離，也就是要從氫原子中把電子剝離，需要通過碰撞、賦予光子等途徑讓電子得到能量，這個(gè)能量實(shí)際上就是電子與氫原子核的結(jié)合能，不過通常把它叫做氫原子的電離能.,【變式訓(xùn)練】對結(jié)合能、平均結(jié)合能的認(rèn)識，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.平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定 【解析】選D.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

7、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)；平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，故C錯(cuò)，D正確.,三、質(zhì)能方程與核能的計(jì)算,1.質(zhì)量虧損 所謂質(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.反過來，把原子核分裂成核子，總質(zhì)量要增加，總能量也要增加，增加的能量要由外部供給.總之，物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，它們之間的關(guān)系就是Emc2.,2.質(zhì)能方程Emc2 (1)質(zhì)能方程說明，一定的質(zhì)量總是跟一定的能量相聯(lián)系的.具體地說，一定質(zhì)量的物體所具有的總能量是一定的，等于光速的平方與其質(zhì)量之積，這里所說的總能量，不是單指物體的動能、核能或其他哪一種

8、能量，而是物體所具有的各種能量的總和.,(2)根據(jù)質(zhì)能方程，物體的總能量與其質(zhì)量成正比.物體質(zhì)量增加，則總能量隨之增加；質(zhì)量減少，總能量也隨之減少，這時(shí)質(zhì)能方程也寫作E=mc2.,(3)質(zhì)能方程的本質(zhì) 質(zhì)量或能量是物質(zhì)的屬性之一，決不能把物質(zhì)和它們的某一屬性(質(zhì)量和能量)等同起來； 質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量和能量的不可分割性，方程建立了這兩個(gè)屬性在數(shù)值上的關(guān)系，這兩個(gè)量分別遵守質(zhì)量守恒和能量守恒，質(zhì)量和能量在數(shù)值上的聯(lián)系決不等于這兩個(gè)量可以相互轉(zhuǎn)化； 質(zhì)量虧損不是否定了質(zhì)量守恒定律.根據(jù)愛因斯坦的相對論，輻射出的光子靜質(zhì)量雖然為零，但它有動質(zhì)量，而且這個(gè)動質(zhì)量剛好等于虧損的質(zhì)量，所以質(zhì)量守恒、能量守

9、恒仍成立.,3.核能的計(jì)算方法 (1)根據(jù)質(zhì)量虧損計(jì)算 根據(jù)核反應(yīng)方程，計(jì)算核反應(yīng)前和核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損m. 根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2計(jì)算核能. 其中m的單位是千克，E的單位是焦耳.,(2)利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特計(jì)算 明確原子單位u和電子伏特之間的關(guān)系 1u=1.660 610-27 kg,1 eV=1.602 17810-19 J 由E=mc2 得 =931.5 MeV 根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5 MeV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931.5 MeV，即E=m931.5 MeV. 其中m的單位是u,E的單位是MeV.,(3)根據(jù)能量守恒和

10、動量守恒來計(jì)算核能 參與核反應(yīng)的粒子所組成的系統(tǒng)，在核反應(yīng)過程中的動量和能量是守恒的，因此，利用動量和能量守恒可以計(jì)算出核能的變化. (4)利用平均結(jié)合能來計(jì)算核能 原子核的結(jié)合能=核子的平均結(jié)合能核子數(shù).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.,(1)切記不要誤認(rèn)為虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量.核反應(yīng)過程中質(zhì)量虧損是靜止的質(zhì)量減少，輻射光子的運(yùn)動質(zhì)量剛好等于虧損的質(zhì)量，即反應(yīng)前后仍然遵循質(zhì)量守恒和能量守恒. (2)核反應(yīng)中釋放的核能是由于核力做功引起的.,【典例3】鐳核22688Ra發(fā)生衰變放出一個(gè)粒子變?yōu)殡焙?2286Rn

11、.已知鐳核質(zhì)量為226.025 4 u，氡核質(zhì)量為222.016 3 u,放出粒子質(zhì)量為4.002 6 u. (1)寫出核反應(yīng)方程； (2)求鐳核衰變放出的能量； 【解題指導(dǎo)】求解此題應(yīng)把握以下兩點(diǎn)： (1)根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒書寫核反應(yīng)方程； (2)根據(jù)質(zhì)能方程Emc2計(jì)算核能.,【標(biāo)準(zhǔn)解答】(1)核反應(yīng)(衰變)方程為： 22688Ra 22286Rn+42He. (2)鐳核衰變放出的能量為： Emc2 (226.025 4-4.002 6-222.016 3)931.5MeV 6.05 MeV,【互動探究】若衰變放出的能量均轉(zhuǎn)變?yōu)殡焙撕头懦龅牧Ｗ?的動能，求放出粒子的動能. 【解析】

12、設(shè)鐳核衰變前靜止，鐳核衰變時(shí)動量守恒，則由動 量守恒定律可得mRnvRn-mv0 又根據(jù)衰變放出的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡焙撕土Ｗ拥膭幽埽瑒t 由可得,【變式備選】關(guān)于質(zhì)能方程，下列說法中正確的是( ) A.質(zhì)量減少，能量就會增加，在一定條件下質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量 B.物體獲得一定的能量，它的質(zhì)量也相應(yīng)地增加一定值 C.物體一定有質(zhì)量，但不一定有能量，所以質(zhì)能方程僅是某種特殊條件下的數(shù)量關(guān)系 D.某一定量的質(zhì)量總是與一定量的能量相聯(lián)系的,【解析】選B、D.質(zhì)能方程E=mc2表明某一定量的質(zhì)量與一定量的能量是相聯(lián)系的，能量增加某一定值時(shí)，它的質(zhì)量也相應(yīng)地增加一定值，并可根據(jù)E=mc2進(jìn)行計(jì)算，所以B、D正確.,【典

13、例】一個(gè)鈾核衰變?yōu)殁Q核時(shí)釋放出一個(gè)粒子，已知鈾 核的質(zhì)量為3.853 13110-25 kg，釷核的質(zhì)量為3.786 567 10-25 kg，粒子的質(zhì)量為6.646 7210-27 kg.在這個(gè)衰變過 程中釋放出的能量等于_J.(保留兩位有效數(shù)字),【解題指導(dǎo)】解答本題應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： (1)原子質(zhì)量單位為kg而不是u. (2)由于衰變過程釋放能量，故m是反應(yīng)前原子核質(zhì)量與新核質(zhì)量之差. (3)計(jì)算E時(shí)注意單位要統(tǒng)一.,【標(biāo)準(zhǔn)解答】由題設(shè)條件求出質(zhì)量虧損為mmU-mTh-m3.853 13110-25-3.786 56710-25-6.646 7210-27 kg= 9.710-30 kg.

14、根據(jù)質(zhì)能方程Emc2求出釋放的能量為Emc29.710-30(3108)2 J8.710-13 J. 答案：8.710-13,一、選擇題 1.(2011哈爾濱高二檢測)關(guān)于核力，下列說法中正確的 是( ) A.核力是一種特殊的萬有引力 B.原子核內(nèi)任意兩個(gè)核子間都有核力作用 C.核力是原子核能穩(wěn)定存在的原因 D.核力是一種短程強(qiáng)作用力,【解析】選C、D.核力不是萬有引力，是一種強(qiáng)相互作用的短程力，并且只發(fā)生在相鄰的核子間，有助于維系原子核的穩(wěn)定，故A錯(cuò)，B錯(cuò)，C、D對.,2.根據(jù)愛因斯坦的研究成果，物體的能量和質(zhì)量的關(guān)系是E=mc2，這一關(guān)系叫愛因斯坦質(zhì)能方程.質(zhì)子的質(zhì)量為mp，中子的質(zhì)量為m

15、n，氦核的質(zhì)量為m，下列關(guān)系式正確的是( ) A.m=(2mp+2mn)B.m(2mp+2mn) C.m(2mp+2mn) D.以上關(guān)系式都不正確 【解析】選B.由核反應(yīng)方程式211H+210n 42He,該反應(yīng)釋放 能量，所以2mp+2mnm,故B正確.,3.(2011巴中高二檢測)3個(gè)粒子結(jié)合成一個(gè)126C,126C原子的質(zhì)量是12.000 0 u，42He原子核的質(zhì)量是4.002 6 u,已知 1 u=1.6610-27 kg,1 u相當(dāng)于931.5 MeV的能量，則( ) A.反應(yīng)過程中質(zhì)量虧損是m=0.007 8 u B.反應(yīng)過程中質(zhì)量虧損是m=1.2910-27 kg C.反應(yīng)過程

16、中放出的能量是7.27 MeV D.反應(yīng)過程中放出的能量是1.1610-19 J,【解析】選A、C.質(zhì)量虧損m=3mA-mC=34.002 6 u- 12.000 0 u=0.007 8 u=1.2910-29 kg，A對B錯(cuò).E= mc2=0.007 8 uc2=0.007 8931.5 MeV=7.27 MeV= 1.1610-12 J，C對D錯(cuò).,4.(2010北京高考)太陽因核聚變釋放出巨大的能量，同時(shí)其質(zhì)量不斷減少.太陽每秒鐘輻射出的能量約為41026 J，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，太陽每秒鐘減少的質(zhì)量最接近( ) A.1036 kg B.1018 kg C.1013 kg D.109

17、kg 【解析】選D.根據(jù)E=mc2，解得 =4.4109 kg，通過比較四個(gè)選項(xiàng)，只有D選項(xiàng)最接近，故答 案為D.,5.下列說法中正確的是( ) A.愛因斯坦質(zhì)能方程反映了物體質(zhì)量就是能量，它們之間可以互相轉(zhuǎn)化 B.由E=mc2可知，能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系，可以用物體的質(zhì)量作為它所蘊(yùn)含能量的量度 C.核反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)的“質(zhì)量虧損”是消失的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成的 D.因在核反應(yīng)中產(chǎn)生能量，有質(zhì)量的轉(zhuǎn)化，所以系統(tǒng)只有質(zhì)量數(shù)守恒，系統(tǒng)的總能量和總質(zhì)量并不守恒,【解析】選B.E=mc2說明能量與質(zhì)量之間存在著聯(lián)系，即能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系，并不是說明了能量與質(zhì)量之間存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，故A項(xiàng)錯(cuò)誤，而B項(xiàng)

18、正確.核反應(yīng)中的“質(zhì)量虧損”并不是質(zhì)量消失，實(shí)際上是從靜止的質(zhì)量變成運(yùn)動的質(zhì)量，并不是質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚蔆項(xiàng)錯(cuò)誤.在核反應(yīng)中，質(zhì)量守恒，能量也守恒，在核反應(yīng)前后只是能量的存在方式不同，總能量不變，在核反應(yīng)前后只是物質(zhì)由靜質(zhì)量變?yōu)閯淤|(zhì)量，故D錯(cuò)誤.,6.用質(zhì)子轟擊鋰核(73Li)生成兩個(gè)粒子，以此進(jìn)行有名的 驗(yàn)證愛因斯坦質(zhì)能方程的實(shí)驗(yàn).已知質(zhì)子的初動能是0.6 MeV， 質(zhì)子、粒子和鋰核的質(zhì)量分別是1.007 3 u、4.001 5 u和 7.016 0 u.已知1 u相當(dāng)于931.5 MeV，則下列敘述中正確的 是( ) A.此反應(yīng)過程質(zhì)量減少0.010 3 u B.生成的兩個(gè)粒子的動能之和是

19、18.3 MeV，與實(shí)驗(yàn)相符 C.核反應(yīng)中釋放的能量是18.9 MeV，與實(shí)驗(yàn)相符 D.生成的兩個(gè)粒子的動能之和是19.5 MeV，與實(shí)驗(yàn)相符,【解析】選C、D.核反應(yīng)前的質(zhì)量為1.007 3 u+7.016 0 u =8.023 3 u 核反應(yīng)后的質(zhì)量為24.001 5 u=8.003 0 u 此反應(yīng)過程中質(zhì)量減少了0.020 3 u,故A錯(cuò)；根據(jù)質(zhì)能方 程E=m931.5 MeV=18.9 MeV,故核反應(yīng)釋放的核能為 18.9 MeV，C正確；由反應(yīng)過程中能量守恒知反應(yīng)后兩個(gè) 粒子的總動能E總=18.9 MeV+0.6 MeV=19.5 MeV，故B錯(cuò)，D對.,7.如圖所示是描述原子核核

20、子的平均 質(zhì)量m與原子序數(shù)Z的關(guān)系曲線，由圖 可知下列說法正確的是( ) A.將原子核A分解為原子核B、C可能 吸收能量 B.將原子核D、E結(jié)合成原子核F可能吸收能量 C.將原子核A分解為原子核B、F一定釋放能量 D.將原子核F、C結(jié)合成原子核B一定釋放能量,【解析】選C.因B、C核子平均質(zhì)量小于A的核子平均質(zhì)量，故A分解為B、C時(shí)，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，故放出核能，故A錯(cuò)，同理可得B、D錯(cuò)，C正確.,8.原子質(zhì)量單位為u，1 u相當(dāng)于931.5 MeV的能量，真空中光速為c，當(dāng)質(zhì)量分別為m1和m2的原子核結(jié)合為質(zhì)量為M的原子核時(shí)釋放出的能量是( ) A.(M-m1-m2)uc2 B.(m1+m2-M

21、)u931.5 J C.(m1+m2-M)c2 D.(m1+m2-M)931.5 eV 【解析】選C.在核能計(jì)算時(shí)，如果質(zhì)量的單位是kg,則用Emc2進(jìn)行計(jì)算，如果質(zhì)量的單位是u，則利用1u相當(dāng)于931.5 MeV的能量計(jì)算，即Em931.5 MeV進(jìn)行計(jì)算，故C正確，A、B、D錯(cuò).,二、非選擇題 9.已知氮核質(zhì)量mN=14.007 53 u，氧核質(zhì)量mO=17.004 54 u， 氦核質(zhì)量mHe=4.003 87 u，質(zhì)子質(zhì)量mH=1.008 15 u，試判斷 核反應(yīng)147N+42He 178O+11H是吸能反應(yīng)還是放能反應(yīng)？能 量變化為多少？,【解析】反應(yīng)前總質(zhì)量mN+mHe=18.011

22、 40 u 反應(yīng)后總質(zhì)量mO+mH=18.012 69 u 因?yàn)榉磻?yīng)中質(zhì)量增加，所以此反應(yīng)是吸能反應(yīng)，所吸能量為E=mc2=(mO+mH)-(mN+mHe)c2=(18.012 69-18.011 40) 931.5 MeV=1.2 MeV. 答案：吸能 1.2 MeV,10.31H的質(zhì)量是3.016 050 u，質(zhì)子的質(zhì)量是1.007 277 u,中子的質(zhì)量是1.008 665 u.則： (1)一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合為氚核時(shí)，是吸收還是放出能量？該能量為多少？ (2)氚核的結(jié)合能和比結(jié)合能各是多少？ (3)如果這些能量是以光子形式放出，則光子的頻率是多少？,【解析】(1)一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合成氚核的核反應(yīng)方程式 是11H+210n 31H，反應(yīng)前各核子總質(zhì)量為 mp+2mn1.007 277 u+21.008 665 u 3.024 607 u 反應(yīng)后新核的質(zhì)量為mH3.016 050 u 質(zhì)量虧損為m3.024 607 u-3.016 050 u 0.008 557 u,因反應(yīng)前的總質(zhì)量大于反應(yīng)后的總質(zhì)量，故此核