「精品」高中物理第四章原子核第四节核力与结合能教学案粤教版选修3_5

第四节核力与结合能对应学生用书页码1．组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起，这种力称为核力。

2．核力是一种短程力。

在约0.5×10－15m～2×10－15m的距离内主要表现为引力；在小于0.5×10－15m 的距离内，核力又转变为强大的斥力。

3．原子核中的质子数又称为原子序数，排在周期表比较靠后的元素对应的原子核叫重核，排在周期表比较靠前的元素对应的原子核叫轻核。

4．一般排在周期表最前面的轻核的质子和中子数相等，大多数重核是中子多于质子。

5．要把原子核拆散成核子，需要克服核力做功，需要提供一定的能量。

反之，核子结合成原子核时会放出一定的能量，这个能量叫做原子核的结合能。

6．原子核的结合能与核子数之比称为该原子核的平均结合能，它反映了原子核结合的紧密程度，平均结合能越大，核越稳定。

对应学生用书页码1.核力的定义组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起，这种力称为核力。

2．核力的性质(1)核力是一种很强的力，是强相互作用的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多(2)核力是一种短程力，在距离较大时核力远小于库仑力，在距离较小时核力远大于库仑力。

在距离小于0.5×10－15 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起。

(3)核力与核子是否带电无关，在原子核中，质子与质子，中子与中子，中子与质子间的核力大致相等。

(4)核力是一种具有饱和性质的交换力，即一个核子只与邻近的几个核子作用，而不是和原子核内所有核子作用。

这种性质称为核力的饱和性。

(1)自然界中最基本的四种相互作用是：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。

其中，引力相互作用和电磁相互作用是长程力，强相互作用和弱相互作用是短程力。

(2)弱相互作用，作用范围在10－18 m以内，作用强度比电磁力小，是引起原子核β衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因。

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2×10－15 m之内D．核力与电荷有关解析：核力是短程力，超过2×10－15 m，核力急剧下降几乎消失，故C项对。

核力与万有引力、电磁力不同，故A、B两项不对。

核力与电荷无关，故D项错。

答案：C1.重核与轻核(1)重核：排在周期表比较靠后的元素对应的原子核叫重核。

(2)轻核：排在周期表比较靠前的元素对应的原子核叫轻核。

(3)排在83号元素铋之后的原子核都不稳定，它们自动分解或衰变成更轻的原子核，排在第92号元素铀之后的原子核十分不稳定，无法在自然状态下存在。

2．质量亏损(1)定义：原子核的质量小于组成原子核的核子质量之和的现象称为质量亏损。

(2)理解：所谓质量亏损并不是部分质量消失，或质量转变为能量，而是指静止质量发生了变化。

物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损时，减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量。

3．质能方程(1)公式：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是E＝mc2(或者ΔE＝Δmc2)这就是著名的爱因斯坦质能联系方程，简称质能方程。

(2)进一步理解：①质能方程揭示了质量和能量不可分割，一定质量的物体所具有的能量是确定的，等于光速的平方与其质量的乘积。

②质量和能量是物质的属性之一，质量和能量在数值上的联系绝不等于这两个量，可相互转化，质量不能转化为能量，能量也不会转化为质量。

(1)核反应中遵循质量守恒和能量守恒，质量亏损并不违反质量守恒。

(2)质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子个数是不变的。

2．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，可以用物体的质量作为它所蕴藏的能量的量度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，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：E ＝mc 2说明能量与质量之间存在着正比关系，并不能说明能量和质量之间存在相互转化的关系，故A 错B 对。

质量亏损是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转化成能量，故C 错。

核反应中质量守恒，能量也守恒，故D 错。

答案：B1.结合能(1)概念：由于核子间存在着强大的核力，要把原子核拆散成核子，需要克服核力做功，也就是说需要提供一定的能量。

反之，根据能量守恒，核子结合成原子核时也会放出一定的能量。

我们把这个能量叫做原子核的结合能。

(2)理解：一个氘核被拆成一个中子和一个质子时，需要能量等于或大于2.2 MeV ，可用γ光子照射获得。

核反应方程为γ＋21H ―→11H ＋10n 。

相反的过程，当一个中子和一个质子结合成一个氘核时会释放出2.2 MeV 的能量。

这个能量以γ光子的形式辐射出去。

核反应方程为11H ＋10n ―→21H ＋γ。

2．平均结合能(1)概念：原子核的结合能与核子数之比称为该原子核的平均结合能。

(2)意义：平均结合能的大小能够反映核的紧密程度。

平均结合能越大，原子核就越难拆开，表示该核越稳定。

(3)规律：核子数较小的轻核与核子数较大的重核，平均结合能都比较小；中等核子数的原子核，平均结合能较大，表示这些原子核较稳定。

3．结合能的计算 (1)根据国际单位制计算①根据核反应方程，计算核反应前和核反应后的质量亏损Δm 。

②根据爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2计算核能。

其中Δm 的单位是千克，ΔE 的单位是焦耳。

(2)根据实用单位计算①明确原子单位u 和电子伏特间的关系 1 u ＝1.6606×10－27kg,1eV ＝1.602178×10－19J由E ＝mc 2得ΔE ＝1.6606×10－27821.602178×10－19eV＝931.5 MeV②根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV 能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV ，即ΔE ＝Δm ×931.5 MeV其中Δm 的单位是u ，ΔE 的单位是MeV 。

(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。

(1)注意区别结合能与电离能要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、赋予光子等途径让它得到13.6 eV的能量。

这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能，不过通常把它叫做氢原子的电离能，而结合能一词只用在原子核中。

(2)单个核子无结合能，如10n。

3．(双选)对结合能、平均结合能的认识，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．平均结合能越大的原子核越稳定解析：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需要赋予它相应的能量，该能量即为结合能，但它的平均结合能不一定大，平均结合能的大小反映了原子的稳定性。

故B、C错，A、D正确。

答案：AD对应学生用书页码[例1]A．核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能B．平均结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大C．重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和平均结合能都大D．中等质量原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大[解析] 核子结合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，A错；平均结合能越大的原子核是越稳定，但平均结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的平均结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核小，B，C错；中等质量原子核的平均结合能比轻核的大，它的原子核内核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，D正确。

[答案] D(1)核子结合成原子核时，核力做正功，放出能量；原子核拆解成核子时，克服核力做功，吸收能量。

(2)平均结合能大的原子核稳定，但平均结合能大的原子核，其结合能不一定大，因为其核子数不一定多。

解析：由图可知Fe 原子核的核子的平均质量最小，则原子序数较小的核D 、E 结合成原子序数较大的核F 时，因F 的核子的平均质量小于D 、E 核子的平均质量，故出现质量亏损，由质能方程知，该过程一定放出核能，所以选项A 正确，B 错误。

因为C 、B 的核子的平均质量小于A 核子的平均质量，故A 分裂成B 、C ，分裂过程一定要释放能量，所以选项C 正确，D 错误。

答案：AC[例2] 31H 的质量是 1.008 665 u 。

求： (1)一个质子和两个中子结合为氚核时，是吸收还是放出能量？该能量为多少？ (2)氚核的结合能和平均结合能各是多少？(3)如果这些能量是以光子形式放出，则光子的频率是多少？[解析] (1)一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程式是11H ＋210n→31H ，反应前各核子总质量为m p ＋2m n ＝1.007 277 u ＋2×1.00 8665 u＝3.024 607 u反应后新核的质量为m H ＝3.016 050 u ，质量亏损为Δm ＝3.024 607 u －3.016 050 u ＝0.008 557 u 由于反应前的总质量大于反应后的总质量， 故此核反应为放能反应． 释放的核能为ΔE ＝0.008 557 ×931.5 MeV＝7.97 MeV 。

(2)氚核的结合能即为ΔE ＝7.97 MeV ， 它的平均结合能为ΔE3＝2.66 MeV 。

(3)放出光子的频率为 ν＝ΔE h ＝7.97×106×1.6×10－196.63×10－34Hz ＝1.92×1021Hz 。

[答案] (1)放出能量 7.97 MeV(2)7.97 MeV 2.66 MeV (3)1.92×1021Hz根据ΔE ＝Δmc 2进行的计算一般有以下两种方法：(1)Δm 的单位用千克，c ＝3.0×108m/s ，此时能量ΔE 的单位为焦耳。

图4－4－1(2)Δm 的单位为1原子质量单位(u)，此时ΔE ＝Δm ×931.5 MeV。

2．一个锂核(73Li)受到一个质子的轰击，变成两个α粒子。

已知一个氢原子核的质量是1.672 6×10－27kg ，一个锂核的质量是11.650 5×10－27kg ，一个氦核的质量是6.646 6×10－27kg 。