人教版高中物理选修3-5课件：19-5核力与结合能

用中子轰击锂核(63Li)发生核反应，生成氚核(31H)和 α 粒子， 并放出 4.8 MeV 的能量．
(1)写出核反应方程； (2)求出质量亏损； (3)若中子和锂核是以等值反向的动量相碰，则氚核和 α 粒 子的动能之比是多少？ (4)α 粒子的动能是多大？(1 u 相当于 931.5 MeV)
【规范解答】 E＝mc2 说明能量和质量之间存在着联系，即 能量与质量之间存在着正比关系，但并不说明能量和质量之间存 在相互转化的关系，故选项 A 错误，而选项 B 正确；核反应中的 “质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动 的质量，并不是质量转变成能量，故选项 C 错误；在核反应中， 质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同， 总能量不变，在核反应前后只是物质由静质量变成动质量，故选 项 D 错误．故选 B.
2．为什么核子不能融合在一起？ 提示：核子间存在核力，当核力的作用范围小于 0.8×10－15 m 时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起． 3．有人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认识对 不对？
提示：不对．在核反应中质量数守恒即核子的个数不变，只 是核子组成原子核时，仿佛变“轻”了一些，原子核的质量总是 小于其全部核子质量之和，即发生了质量亏损，核子的个数并没 有变化.
B．比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，重核的结合能和比结合 能都大
D．中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大
【易错分析】 弄不清核子结合成原子核和原子核拆成核子 哪个吸热哪个放热而错选 A.不能正确区分比结合能与结合能，认 为比结合能大的原子核结合能也一定大而错选 B，从而得到错误 答案 AB.
2．质量亏损 (1)爱因斯坦质能方程：E＝ mc2 或 ΔE＝Δmc2. (2)质量亏损：原子核的质量 小于 组成它的核子的质量之 和的现象．
质疑探究
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 1035 倍，两者相差悬殊，不可能平衡．在原子核内一定还 存在第三种相互作用力来克服较强的库仑斥力．
(1)利用比结合能计算核反应过程中的反应能时，往往采用 “先拆分后组合”的方法．
(2)要准确理解结合能的概念．要让原子核分解为核子，这 个能量我们可以理解为“恰好”，而在实际情况下，需要的能量 比结合能要大，因分解出的核子还要有动能．
对结合能、比结合能的认识，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．比结合能越大的原子核越稳定
比结合能比结合能更有意义，它反映了原子核结合的稳定程 度或分裂的难易程度．
如果要把186O 分成 8 个质子和 8 个中子，需给它多少能量？ 要把它分为 4 个42He，需给它多少能量？已知186O 的核子平均结 合能是 7.98 MeV，42He 的核子平均结合能是 7.07 MeV.
【思路启迪】 1.什么是结合能？ 2．结合能与平均结合能的关系是什么？
太阳每秒钟减少的质量最接近( )
A．1036 kg
B．1018 kg
C．1013 kg
D．109 kg
解析：据 E＝Δmc2 得：Δm＝cE2＝43××11002862 kg≈4.4×109 kg， 选项 A、B、C 错，选项 D 正确．
答案：D
易错盘点
易错点：不能正确区分结合能与比结合能
下列关于结合能和比结合能的说法中正确的是( ) 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
【答案】 B
本题易错选为 A、D.错误分析：认为质能方程 E＝mc2 反映 的物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化，故认为 A 项 正确．由于在核反应中有能量产生且有质量亏损，就错误地认为 有质量的转化，认为在反应前后总能量不守恒，总质量亦不守恒， 故认为 D 项正确．
关于质能方程，下列说法正确的是( ) A．质量减少，能量就会增加，在一定条件下质量转化为能 量 B．物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加一定值 C．物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是 某种特殊条件下的数量关系 D．某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的
【思路启迪】 1.计算核能时，能量单位有哪两种取值方 法？
2．参与核反应的粒子在核反应过程中的动量和能量遵循什 么规律？
【规范解答】 (1)63Li＋01n→31H＋42He＋4.8 MeV (2)依据 ΔE＝Δm×931.5 MeV 得：Δm＝943.18.5 u≈0.0052 u (3)根据题意有：0＝m1v1＋m2v2，式中 m1、m2、v1、v2 分别 为氚核和 α 粒子的质量和速度．由上式及动能 Ek＝2pm2 可得氚核 和 α 粒子的动能之比为： Ek1:Ek2＝2pm2 1:2pm2 2＝m2:m1＝4:3
把186O 分成 8 个质子和 8 个中子需提供的能量为： ΔE1＝16×7.98 MeV＝127.68 MeV. 将 2 个质子和 2 个中子结合成一个24He 所放出的能量为：
ΔE2＝4×7.07 MeV＝28.28 MeV. 则将168O 分成 4 个42He 需提供的能量为： ΔE′＝ΔE1－4ΔE2＝127.68MeV－4×28.28 MeV ＝14.56 MeV. 【答案】 127.68 MeV 14.56 MeV
③核力的饱和性：每个核子只跟 邻近 的核子发生核力作用．
2．四种相互作用 自然界中最基本的四种相互作用是 万有引力 、电磁力、强 相互作用和 弱相互作用．
二、原子核中质子与中子的比例 自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致 相等 ；较重 的原子核，中子数 大于 质子数，且越重的元素，两者相差越多． 三、结合能与质量亏损 1．结合能 (1)定义：原子核是核子凭借 核力 结合在一起构成的，要把 它们分开，也需要 能量 ，这就是原子核的结合能． (2)比结合能：原子核的结合能与其 核子数 之比，也叫平 均结合能．中等大小的核的比结合能最大，这些核最 稳定．
【规范解答】 将186O 分成 8 个质子和 8 个中子所提供的能 量为186O 的结合能，即为其核子数与平均结合能的乘积．将186O 分 成 4 个42He 可以看做两个过程：一是将186O 分成 8 个质子和 8 个中 子，然后再将 8 个质子和 8 个中子结合成 4 个24He，需提供的能 量为此两个过程的能量之差．
【正确解答】 核子结合成原子核时放出能量，原子核拆解 成核子时吸收能量，A 错；比结合能越大的原子核越稳定，但比 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 的比结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核 小，B、C 错；中等质量原子核的比结合能比轻核的大，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．答案为 D.
2．质量亏损 Δm 的理解 所谓质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成 核的过程中以能量的形式辐射出去了．反过来，把原子核分裂成 核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供 给．
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”是消失的质量转变为能量 D．因为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
(4)α 粒子的动能： Ek2＝37(Ek1＋Ek2)＝37×4.8 MeV≈2.06 MeV 【答案】 (1)36Li＋10n→31H＋24He＋4.8 MeV (2)0.0052 u (3)4:3 (4)2.06 MeV
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 4×1026 J，根据爱因斯坦质能方程，
解析：氢原子核只有一个质子，无结合能，结合能并不是原 子核所具有的能量，故 A 错；自由核子结合为原子核时，放出 能量，故 B 错；比结合能越大的原子核越稳定，故 C 错，D 正 确．
答案：D
要点二 质能方程和质量亏损的理解
1.质能方程 E＝mc2 的理解 (1)根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比．物体质量 增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时 质能方程也写作 ΔE＝Δmc2. (2)运用质能方程时应注意单位．一般情况下，公式中各量都 应取国际单位．但在微观领域，用国际制单位往往比较麻烦，习 惯上常用“原子质量单位”和“电子伏特”作为质量和能量的 单位．
3．除了上面这两种方法外，还有以下两种方法： (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．
解析：质能方程 E＝mc2 表明某一定量的质量与一定量的能 量是相联系的，当物体获得一定的能量，即能量增加某一定值时， 它的质量也相应增加一定值，并可根据 ΔE＝Δmc2 进行计算，所 以选项 B、D 正确．
答案：BD
要点三 核能的计算
1.根据质量亏损计算核能的步骤： 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 E＝mc2 或 ΔE＝Δmc2 计算核能．
要点导学
要点一 比结合能与原子核稳定性的关系 1.比结合能曲线：不同原子核的比结合能随质量数变化图线
如图所示．
从图中可看出，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重 核的比结合能都比中等质量的原子核要小．
2．比结合能与原子核稳定性的关系 (1)比结合能的大小能够反映核的稳定程度，比结合能越大， 原子核就越难拆开，表示该核就越稳定． (2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比 较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较 大，表示原子核较稳定． (3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核 时，就可释放核能，例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核 子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数 大一些的核，都能释放出巨大的核能．
2．利用原子质量单位 u 和电子伏特间的关系计算 ①明确原子质量单位 u 和电子伏特间的关系： 因为 1 u＝1.66054×10－27 kg， 则 E＝mc2＝1.66054×10－27×(3.0×108)2 J ＝1.4949×10－10 J. 又 1 eV＝1.6×10－19 J， 则 E＝1.49×10－10 J＝931 MeV. ②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 MeV，即 ΔE＝Δm×931 MeV.
4．知道质量亏损，理解爱因斯坦质 2．结合能和比结合能的概念.
能方程并能进行有关核能的计算.
知识梳理
一、核力与四种基本相互作用 1．核力 (1)定义：把 核子 紧紧地束缚在核内，形成稳定原子力比库仑力大得多．
②核力是短程力，作用范围在 1.5×10－15m 之内，核力在大 于 0.8×10－15m 时表现为吸引力，且随距离增大而减小，超过 1.5×10－15m ，核力急剧下降几乎消失；而在距离小于 0.8×10 －15 m 时，核力表现为 斥力．
第 十
原子核
九
章
五
核力与结合能
自主预习
学习目标
目标解读
1.知道核力的概念，特点及四种基本 重点：1.理解核力的特点．
相互作用． 2．结合能、质量亏损和质能方
2．知道稳定原子核中质子与中子的 程．
比例随着原子序数的增大而减小． 难点：1.原子核中质子和中子
3．理解结合能和比结合能的概念． 的比例问题．