粵教高中物理選修(3-5)第四章《核力與結(jié)合能》學案

2019最新粵教版高中物理選修(3-5)第四章《核力與結(jié)合能》學 案學案4核力與結(jié)合能 ［學習目標定位］1.知道核力的性質(zhì).2.能簡單解釋輕核和重核內(nèi)中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)具有 不同比例的原因.3.知道原子核的結(jié)合能和平均結(jié)合能的概念 .4.知道什么是質(zhì)量虧損 能應用質(zhì)能方程進行計算. 知i只‘儲備區(qū) 溫故若水溯源 推陳方可知新 、知其鏈接 1 .原子核的組成：原子核由質(zhì)子和中子組成;原子核非常小 ，半徑數(shù)量級為 里15 m. 2 .能量單位：1 eV = 10 6 MeV= 1.6 X1019 J. X新知呈現(xiàn) 3 .核力及其性質(zhì) (1)組成原子核的核子之間有很強的相互作用力 ,使核子能夠克服庫侖斥力而緊密地結(jié) 合在一起，這種力稱為核力. (2)核力是一種很強的力，在它的作用范圍內(nèi)核力比庫侖力大的多. ⑶ 核力是一種短程力.在約 0.5X10T5m^2X10 - 15m的距離內(nèi)主要表現(xiàn)為引立 大于 2X 10— 15m的距離時核力就迅速減小為零;上小于 0.5 x 10T5m的距離內(nèi)，核力又轉(zhuǎn)變?yōu)? 強大的壓力而使核子不融合在一起. 4 .重核與輕核 原子核中的質(zhì)子數(shù)又稱為原子序數(shù) ,排在周期表比較靠后的元素對應的原子核叫做重核 ， 排在比較靠前的叫做輕核.一般排在周期表最前面的輕核的質(zhì)子和中子數(shù)相等.但是 大多數(shù)重核是中子多于質(zhì)子. 5 .結(jié)合能 (1)由于核子間存在著強大的核力 ，要把原子核拆散成核子，需要克服核力做功，也就是 說需要提供一定的能量.反過來，根據(jù)能量守恒,核子結(jié)合成原子核時也會放出一定的 能量,這個能量叫做原子核的結(jié)合能. 2 1 (2)用高能量的丫光子照射笊核，可以使它分解為質(zhì)子和中子 ，核反應方程是 Y ++彳 H+ 0n. 丫光子的能量大于或等于 2.22 MeV. 2.22 MeV的能量.這個能量以 相反的過程，一個中子和一個質(zhì)子結(jié)合成笊核會釋放出 丫光子的形式輻射出去.核反應方程是 0n+1iHH 1H+ 丫 . (3)原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比稱為該原子核的平均結(jié)合能.平均結(jié)合能越大 _，核越 穩(wěn)定. 6.質(zhì)量虧損和核能的計算 核子結(jié)合成原子核時,反應前和反應后的質(zhì)量之差叫質(zhì)量虧損.虧損的質(zhì)量與反應中釋 放的能量相對應,它們之間的關(guān)系遵循愛因斯坦的質(zhì)能方程為 A E= AmC 學習,探究區(qū) 基砒自學落實童點互動探究 知識探究 、原子核中質(zhì)子和中子的比例 ［問題設計］ 一些較輕的原子核如2He 16。162C、174N中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有什么關(guān)系？ 答案 質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等. ［要點提煉］ 由于核力是短程力及核力的飽和性,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. 二、結(jié)合能 ［問題設計］ 如圖1所示是不同原子核的平均結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化的曲線. 平均結(jié)合能/MeV — 0 —40~~80 120 160 200 240 r 圖1 (1)從圖中看出，中等質(zhì)量的原子核與重核、輕核相比平均結(jié)合能有什么特點？平均結(jié) 合能的大小反映了什么？ (2)平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化為平均結(jié)合能較大的原子核時是吸收能量還是放出能 量？ 答案(1)中等質(zhì)量的原子核平均結(jié)合能較大，平均結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定 性，平均結(jié)合能越大，原子越穩(wěn)定. (2)放出能量. ［要點提煉］ 1 .核子數(shù)較小的輕核和核子數(shù)較大的重核 ,平均結(jié)合能較小，中等核子數(shù)的原子核,平 均結(jié)合能較大.當平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化為平均結(jié)合能較大的原子核時會釋放 — 核能. 2 .平均結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢/，原子核越穩(wěn)定.中等核子數(shù)的原 子核，平均結(jié)合能較大，原子核較穩(wěn)定. 三、質(zhì)量虧損和核能的計算 ［問題設計］ 用a粒子轟擊皺(9Be)核發(fā)現(xiàn)中子的核反應方程 9Be+ 2h- 12C-\- 0n 甲同學說：核反應過程中核子數(shù)沒變 ，所以質(zhì)量是守恒的； 乙同學查找資料，各個原子核或核子的質(zhì)量如下： nBe= 9.012 19 u, mc= 12.000 u, m = 4.002 6 u, nn= 1.008 665 u .(其中 1 u = 1.660 566X 10 27 kg),他通過計算發(fā)現(xiàn)反應之后的質(zhì)量減少了 ，于是他得出結(jié)論：核反應過程 中質(zhì)量消失了. 這兩個同學的說法對嗎？如果不對錯在哪里？你對質(zhì)量虧損是如何理解的？ 答案 甲同學的說法錯誤.核反應過程中質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒；乙同學的說法 錯誤.質(zhì)量虧損并不是質(zhì)量的消失. 對質(zhì)量虧損的理解 (1)在核反應中仍遵守質(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)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量相聯(lián)系的運動質(zhì)量. (2)質(zhì)量虧損也不是核子個數(shù)的減少，核反應中核子個數(shù)是不變的. ［要點提煉］ 1 .對質(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= m2. (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,則總能量隨之增加；質(zhì)量減少 ，總能量也隨之減少，這時質(zhì)能方程 也寫作A E= A me. 2 .核能的計算方法 （1）根據(jù)質(zhì)量虧損計算 ①根據(jù)核反應方程，計算核反應前后的質(zhì)量虧損 Am ②根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程 A E= A m（2計算核能. 其中A m的單位是千克,A E的單位是焦耳. （2）利用原子質(zhì)量單位 u和電子伏特計算 ①明確原子質(zhì)量單位 u和電子伏特之間的關(guān)系 2 -eV~ 931.5 MeV 1 u =1.660 6 X 10 27 kg,1 eV =1.602 178 X 10 19 J 由 E= mC /日匚 1.660 6 X 10 27義 2.9W 9XI。8 行= 1.602 178 X10 19 ②根據(jù)1原子質(zhì)量單位（u）相當于931.5 MeV的能量，用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損 的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以 931.5 MeV,即A E= A nix 931.5 MeV.其中A m的單位是u, A E 的單位是MeV. X典例精析 一、對核力和結(jié)合能的理解 例1 （單選）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.對于較重的原子核，由于核力的作用范圍是有限的 ，以及核力的飽和性，如果繼續(xù)增 大原子核，形成的核也一定是不穩(wěn)定的 解析 自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，對于較重白原子核，中子數(shù)大 于質(zhì)子數(shù)，越重的原子核，兩者相差越多.因此正確答案選 D. 答案 D 例2 （單選）下列關(guān)于結(jié)合能和平均結(jié)合能的說法中 ，正確的有（ ） A.核子結(jié)合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量稱為結(jié)合能 B.平均結(jié)合能越大白原子核越穩(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)合能和平均結(jié)合能都大 D.中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和平均結(jié)合能均比輕核的要大 解析 核子結(jié)合成原子核是放出能量 ，原子核拆解成核子是吸收能量 ，A選項錯誤；平 均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定 ，但平均結(jié)合能越大的原子核 ，其結(jié)合能不一定大，例如中 等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能比重核大 ，但由于核子數(shù)比重核少 ，其結(jié)合能反而比重核 小,B、C選項錯誤；中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能比輕核的大 ，它的原子核內(nèi)核子數(shù)又 比輕核多，因此它的結(jié)合能也比輕核大 ,D選項正確. 答案 D 二、質(zhì)量虧損和核能的計算 例3 已知氮核質(zhì)量 M= 14.007 53 u,氧17核的質(zhì)量 M= 17.004 54 u,氯核質(zhì)量 Me= 4.003 87 u,氫核質(zhì)量 M= 1.008 15 u,試判斷：Vn+ ；He^ 0 1H這一核反應是吸收能 量還是放出能量？能量變化是多少？ 解析 反應前總質(zhì)量： M+ MHe= 18.011 40 u, 反應后總質(zhì)量： M+ M= 18.012 69 u. 可以看出：反應后總質(zhì)量增加，故該反應是吸收能量的反應. 吸收的能量利用 A E= A mC來計算，若反應過程中質(zhì)量增加 1 u,就會吸收931.5 MeV 的能量，故 A E= （18.012 69 -18.011 40） X 931.5 MeV= 1.2 MeV. 答案吸收能量 1.2 MeV 課堂要點小結(jié) 核力及其性質(zhì) 結(jié)合能及平均結(jié)合能 核力與結(jié)合能|《質(zhì)量虧損 I ,核能的計算 愛因斯坦質(zhì)能方程E= ma 2 L IA E= A mc 自我■檢測區(qū) 推測學習—果體驗成功快樂 1 .（單選）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 答案 D 解析 核力是短程力，只會發(fā)生在相鄰核子之間，由此知A、B錯誤；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錯誤,D正確. 2 .(雙選)關(guān)于原子核的結(jié)合能，下列說法正確的是( ) A.原子核的結(jié)合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量 B. 一重原子核衰變成 “粒子和另一原子核，衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核 的結(jié)合能 C.比結(jié)合能越大，原子核越不穩(wěn)定 D.自由核子組成原子核時，其質(zhì)量虧損所對應的能量大于該原子核的結(jié)合能 答案 AB 解析結(jié)合能是把核子分開所需的最小能量，選項A正確；一重原子核衰變成 a粒子 和另一原子核，存在質(zhì)量虧損，核子比結(jié)合能增大，衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來 重核的結(jié)合能，選項B正確；比結(jié)合能也叫平均結(jié)合能 ，比結(jié)合能越大，分開核子所需的 能量越大，原子核越穩(wěn)定，選項C錯誤；自由核子組成原子核時 ，其質(zhì)量虧損所對應的能 量等于該原子核的結(jié)合能，選項D錯誤. 3.歷史上第一次利用加速器實現(xiàn)的核反應 ，是用加速后動能為 0.5 MeV的質(zhì)子1H轟擊 靜止的AX,生成兩個動能均為 8.9 MeV的4He.(1 MeV =1.6 X 10 13 J) (1)上述核反應方程為 . (2)質(zhì)量虧損為 kg. 答案 (1) ；H+ 7X-4He+ 2He(或1H+ 7Li -4He+ 2He) (2)3.1 X 10 29kg 1 7 4 4 ,、1 7 4 4 解析 (1) 1H+ 3-2He+ 2He或 1H+ 3Li -2He+ 2He 2 L L (2) A mc= E 末 一 E 初 A 2X8.9 —必 XL6XHT；~29” Am= c2 = ,X 108 2 kg = 3.1X10 kg 40分鐘課時作業(yè) ［概念規(guī)律題組］ 1 .(單選)對結(jié)合能、平均z合能的認識 ，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，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 答案 D 解析 氫原子核只有一個質(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； 自由核子結(jié)合為原子核時 , 放出能量 , 故 B 錯；平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定 , 故 C 錯 ,D 對． 2． ( 雙選 ) 愛因斯坦提出了質(zhì)能方程 , 揭示了質(zhì)量與能量的關(guān)系 , 關(guān)于質(zhì)能方程 , 下列說 法正確的是 ( ) A.質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化 B.當物體向外釋放能量時，其質(zhì)量必定減少,且減少的質(zhì)量 Am與釋放的能量 AE滿足 2 A E= A mc C.物質(zhì)的核能可用 mC表示 D． mc2 是物體能夠放出能量的總和 答案 BD 解析 E= mC式中E表示物體具有的總能量，m表示物體的質(zhì)量，故C錯誤,D正確；AE =A mC表示當物體的能量增加或減少 A E時，其質(zhì)量相應的增加或減少 A m故A錯 誤 ,B 正確． 3． ( 單選 ) 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 , 這是因 為( ) A.原子核帶正電，電子帶負電，電荷間存在很大的庫侖力 B.核子具有質(zhì)量且相距很近，存在很大的萬有引力 C.核子間存在著強大的核力 D.核子間存在著復雜磁力 答案 C 解析 核力是短程力 , 由于核力很強大 , 所以將核子拆開需要大量的能量克服核力做 功.相反，若核子結(jié)合成原子核，則放出大量的能量，所以選項C正確. 4 .(單選)為了直接驗證愛因斯坦狹義相對論中著名的質(zhì)能方程 E= mc科學家用中子 轟擊硫原子 , 分別測出原子捕獲中子前后質(zhì)量的變化以及核反應過程中放出的熱量 , 然 后進行比較 , 精確驗證了質(zhì)能方程的正確性．設捕獲中子前的原子質(zhì)量為 m1, 捕獲中子 后的原子質(zhì)量為 m2,被捕獲的中子質(zhì)量為 m3,核反應過程放出的能量為 A E,則這一實驗 需驗證的關(guān)系式是 ( ) 2 A. A E= (m—rm—rm)c 2 B. A E= (m+m—m)c 2 C. A E= (m—m—m)c 2 D. A E= (m—m+m)c 答案 B 解析 反應前的質(zhì)量總和為 m+ m3,質(zhì)量虧損 A m= m+ m— m,核反應釋放的能量 A E = (m+m—m)c2,選項 B正確. [方法技巧題組] 5 .(單選)原子質(zhì)量單位為u,1 u相當于931.5 MeV的能量，真空中光速為c,當質(zhì)量分 別為m和m的原子核結(jié)合為質(zhì)量為 M的原子核時釋放出的能量是 ( ) 2 A. ( M- m— m)u ? c B. (m+m—M)u x 931.5 J 2 C. (m+m—M)c D. (m+m—M) x 931.5 eV 答案 C 解析 在核能1t算時，如果質(zhì)量的單位是 kg,則用A E= A mc進行方t算,如果質(zhì)量的單 位是u,則利用1 u相當于931.5 MeV的能量計算，即A E= A mx 931.5 MeV進行方t算, 故C正確,A、R D錯誤. 6 .(單選)中子n、質(zhì)子p、笊核D的質(zhì)量分別為 m、mp、mD.現(xiàn)用光子能量為 E的丫射 線照射靜止笊核使之分解，反應方程為 丫 + Ap+ n,若分解后中子、質(zhì)子的動能可視 為相等，則中子的動能是( ) A.2K 1 B.2K 1 C.2K 1 D.2K 答案 解析 m>— mp- m) c2— E] m)+ mn- m) c2+ E] m>— mp- m) c2+ E] m>+ mn- m) c2- E] C 因為笊核分解為核子時，要吸收能量，質(zhì)量增加，本題核反應過程中 丫射線能量 E對應質(zhì)量的增加和中子與質(zhì)子動能的產(chǎn)生 ，即E=Amc+ 2E=(mp+m—m)c2+2R得 _ 1 _ 2 1 2 _ ，… E=21E— ( mp+ mn- m) c] =2[( ma- mp- mn) c + E],故選 C. 7 .(雙選)中子和質(zhì)子結(jié)合成笊核時 ，質(zhì)量虧損為 A mJ相應的能量 A E= A mC= 2.2 MeV是笊核的結(jié)合能.下列說法正確的是 ( ) A.用能量小于2.2 MeV的光子照射靜止笊核時，笊核不能分解為一個質(zhì)子和一個中子 8 .用能量小于2.2 MeV的光子照射靜止笊核時，笊核可能分解為一個質(zhì)子和一個中子 ， 它們的動能之和為零 C.用能量大于2.2 MeV的光子照射靜止笊核時，笊核可能分解為一個質(zhì)子和一個中子 ， 它們的動能之和為零 D.用能量大于2.2 MeV的光子照射靜止笊核時，笊核可能分解為一個質(zhì)子和一個中子 ， 它們的動能之和不為零 答案 AD 解析用能量小于結(jié)合能的光子照射笊核時 ，笊核一定不能分解，所以A正確，B錯 誤.用能量大于結(jié)合能的光子照射笊核時 ，笊核可能分解，只要分解，分解出的質(zhì)子和中 子動能之和一定不為零(若動能之和為零就分不開了 )，所以C錯誤,D正確. 8.笊核和瓶核聚變時的核反應方程為 2H+1HR 2He+ in,已知3H的平均結(jié)合能是 2.78 MeV,2H的平均結(jié)合能是 1.09 MeV, 2He的平均結(jié)合能是 7.03 MeV,則核反應時釋放的能 量為 MeV. 答案 17.6 解析聚變反應前笊核和瓶核的總結(jié)合能 E = (1.09 X 2+2.78 X 3) MeV =10.52 MeV. 反應后生成的氮核的結(jié)合能 E2=7.03X4 MeV= 28.12 MeV. 由于單個核子無結(jié)合能，所以聚變過程釋放出的能量為 AE= E —日 = (28.12 — 10.52) MeV =17.6 MeV. 9 . 3H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.求： (1) 一個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合為瓶核時 ，是吸收還是放出能量？該能量為多少？ (2)瓶核的結(jié)合能和平均結(jié)合能各是多少？ (3)如果此能量是以光子形式放出的，則光子的頻率是多少？ 答案 (1)放出能量 7.97 MeV (2)7.97 MeV 2.66 MeV (3)1.92 X 10 21 Hz 解析(1) 一個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合成瓶核的核反應方程是 1H+ 20n-3H, 反應前各核子總質(zhì)量為 mp+ 2m= 1.007 277 u +2X 1.008 665 u = 3.024 607 u, 反應后新核的質(zhì)量為 3.016 050 u, 質(zhì)量虧損為 Am^ 3.024 607u -3.016 050 u =0.008 557 u 因反應前的總質(zhì)量大于反應后的總質(zhì)量 ，故此核反應釋放能量. 釋放的核能為 A E= 0.008 557 X 931.5 MeV = 7.97 MeV. (2)瓶核的結(jié)合能即為 A E= 7.97 MeV. 它的平均結(jié)合能為芋?2.66 MeV. 3 ⑶放出光子的頻率為 Hz= 1.92 X 10 21Hz. 7.97 X 106X 1.6 X 1019 ^-34 6.63X10 ［創(chuàng)新應用題組］ 10 .鐳核22688Ra發(fā)生衰變放出一個粒子變?yōu)闅浜?22286Rn.已知鐳核226質(zhì)量為226.025 4 u,氫核222質(zhì)量為222.016 3 u, 放出粒子的質(zhì)量為 4.002 6 u. (1)寫出核反應方程； (2)求鐳核衰變放出的能量； (3)若衰變放出的能量均轉(zhuǎn)變?yōu)闅浜撕头懦隽Ｗ拥膭幽?，求放出粒子的動能. 答案 (1) 22688Ra 22286Rn+ 4He (2)6.05 MeV (3)5.94 MeV 解析 (1)核反應方程為22688Ra 22286Rn+ 4He. (2)鐳核衰變放出的能量為 2 A E= A DT c =(226.025 4 -4.002 6 -222.016 3) X 931.5 MeV = 6.05 MeV. (3)設鐳核衰變前靜止，鐳核衰變時動量守恒，則由動量守恒定律可得 mRnVRn— mt v” = 0① a粒子的動能，則 又因為衰變放出的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闅浜撕? 一1 2 1 2 A E= 2mRnVRn+ 2^1 V a ② 由①②可得 11 / 11 E8 mRn mRn m 222.016 3 A E= 222.016 3 +4.002 6 X6.05 MeV= 5.94 MeV.