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第4节原子核的结合能学习目标核心提炼1.理解原子核的结合能的概念。
3个概念——结合能、平均结合能、质量亏损1个方程——ΔE＝Δmc22.知道质量亏损的概念，了解爱因斯坦的质能方程。
3.学会根据质能方程和质量亏损的概念进行核能的计算。
一、原子核的结合能和结合能的计算1.结合能：由分散的核子结合成原子核的过程中所释放出的能量。
2.质量亏损：原子核的静质量都小于构成它的所有核子单独存在时的总静质量，核反应中质量的减少称为质量亏损。
3.爱因斯坦的质能方程：物体的能量和质量之间存在着密切的确定联系，即E＝mc2。
物体质量发生变化时，它的能量也按照这一关系式发生相应的变化，即ΔE ＝Δmc2。
思考判断(1)一切原子核均具有结合能。
()(2)组成原子核的核子越多，它的结合能就越高。
()(3)结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定。
()(4)自由核子结合为原子核时，可能吸收能量。
()答案(1)√(2)√(3)×(4)×二、平均结合能曲线1.平均结合能：把原子核的结合能ΔE除以核子数A，即ΔEA称为原子核的平均结合能，也叫比结合能。
平均结合能越大，核就越稳定。
2.由原子核的平均结合能曲线可以看出(1)平均结合能越大，取出一个核子就越困难，核就越稳定，平均结合能是原子核稳定程度的量度；(2)曲线中间高两头低，说明中等质量的原子核的平均结合能最大，近似于一个常数，表明中等质量的核最稳定；(3)质量较大的重核和质量较小的轻核平均结合能都较小，且轻核的平均结合能还有些起伏。
3.核聚变：两个轻核结合成较重的单个原子核释放出能量的过程叫核聚变。
4.核裂变：一个重核分裂为两个(或多个)中等质量的核时释放出核能的过程叫核裂变。
思考判断(1)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。
()(2)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。
()(3)平均结合能越大，原子核中核子结合得越牢固。
原子核的结合能
原子核的结合能是指原子核内部稳定的结构所具有的能量。
这种能量与核子之间的相互作用有关，它是维持原子核的稳定的重要因素。
原子核的结合能越大，核子之间的相互作用越强，原子核越稳定。
原子核的结合能是由强相互作用引起的。
强相互作用是一种极为强大的力，只在极小的距离内产生作用。
这种力可以抵抗原子核内部的静电斥力，使得核子之间保持一定的距离，从而维持原子核的稳定。
原子核的结合能可以通过质量缺失法来测量。
在这种方法中，将待测核素与一个已知质量的核素反应，测量反应产物的质量差异，根据质能守恒定律可以计算出原子核的结合能。
原子核的结合能对于核反应和核能源的应用具有重要意义。
在核反应中，当原子核的结合能被释放出来时，将会释放大量的能量。
核能源的利用也是基于这种原理，通过核反应释放出的结合能来产生能量，是目前重要的能源来源之一。
原子核的结合能还与核素的同位素稳定性有关。
同位素是指原子核中的质子数相同，中子数不同的核素。
当同位素的中子数和质子数相等时，核素最为稳定。
同位素的稳定性与其结合能密切相关，结合能越大，核素越稳定。
由于原子核的结合能对于核反应和核能源的应用具有重要意义，因此对于原子核结合能的研究一直是核物理领域的热点之一。
通过研究不同核素的结合能，可以更好地了解原子核内部的结构和相互作用，从而更好地探索核物理的奥秘。
原子核结合能
原子核结合能是核物理中一个非常重要的概念，它是指原子核内部核子相互作用所释放出的能量。
这种能量来源于核子间的强相互作用力，是维持原子核稳定的关键因素之一。
在原子核中，质子和中子通过强相互作用力相互吸引形成原子核，而这种相互吸引的过程释放出能量，即结合能。
结合能的大小取决于原子核的构成，即核子的种类和数量。
一般来说，原子核中的质子和中子越多，结合能就越大，核子之间的结合越牢固。
结合能的概念最早由德国物理学家爱因斯坦和法国物理学家居里提出，他们通过研究放射性衰变和核反应等现象，揭示了原子核内部的能量转化过程。
在核反应中，核子脱离原子核或者合并成新的核素时，释放出的能量可以用来产生核能，用于发电或者其他应用。
核能是一种清洁高效的能源形式，被广泛应用于核电站和核武器等领域。
通过控制核反应过程，可以实现能量的释放和利用，同时也需要注意防止核反应失控导致核泄漏或者核爆炸等危险情况。
除了应用于能源和军事领域，原子核结合能还在天体物理学中扮演着重要角色。
例如，恒星的能量来源就是核反应释放的结合能，太阳等恒星通过核聚变反应将氢转变为氦释放能量，维持了恒星的稳定状态。
总的来说，原子核结合能是核物理研究的核心内容之一，它关乎原
子核的稳定性、能量转化和核反应等重要问题。
通过深入研究结合能的性质和应用，可以更好地理解原子核内部的微观世界，推动核能技术的发展，同时也有助于探索宇宙的奥秘，揭示宇宙的起源和演化。
希望未来能够通过不断的科学探索和技术创新，更好地利用原子核结合能这一宝贵资源，造福人类社会和整个地球环境。
4.原子核的结合能[先填空]1．结合能核子结合成原子核所释放的能量．2．质能关系(1)物体的能量与其质量的关系式E＝mc2.(2)能量计算ΔE＝Δmc2.3．质量亏损核反应中的质量减少称为质量亏损．[再判断]1．原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量．(×)2．质量亏损是因为这部分质量转化为能量．(×)3．质能方程E＝mc2表明了质量与能量间的一种对应关系．(√)[后思考]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．1．对质量亏损的理解质量亏损，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．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，这时质能方程也写为ΔE＝Δmc2.2．核能的计算方法(1)根据质量亏损计算①根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损Δm.②根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能．其中Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳．(2)利用原子质量单位u和电子伏特计算根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，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.1．(多选)一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出γ光子，核反应方程是11H＋10n→21 H＋γ，以下说法中正确的是( )A．反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和B．反应前后的质量数不变，因而质量不变C．反应前后质量数不变，但会出质量亏损D．γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度【解析】核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，所以质量不守恒，但质量数不变，且能量守恒，释放的能量会以光子的形式向外释放，故正确答案为A、C、D.【答案】ACD2．(多选)关于质能方程，下列哪些说法是正确的( )【导学号：22482045】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．一定量的质量总是与一定量的能量相联系的【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，故B、D对．【答案】BD3．取质子的质量m p ＝1.672 6×10－27kg ，中子的质量m n ＝1.674 9×10－27kg ，α粒子的质量m α＝6.646 7×10－27kg ，光速c ＝3.0×108m/s.请计算α粒子的结合能．(计算结果保留两位有效数字)【解析】 组成α粒子的核子与α粒子的质量差 Δm ＝(2m p ＋2m n )－m α 结合能ΔE ＝Δmc 2代入数据得ΔE ＝4.3×10－12J.【答案】 4.3×10－12J核能的两种单位两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1 MeV ＝1×106×1.6×10－19J ＝1.6×10－13J.[先填空] 1．比结合能原子核的结合能ΔE 除以核子数A ，ΔEA称为原子核的比结合能，又叫平均结合能．2．核聚变和核裂变(1)核聚变：两个轻核结合成较重的单个原子核时会释放能量，这样的过程叫核聚变．两个氘核的聚变：21H ＋21H→42He.(2)核裂变：一个重核分裂为两个(或多个)中等质量的核时释放出能量，这样的过程叫核裂变．[再判断]1．原子核的核子数越多，比结合能越大．(×) 2．比结合能越大，原子核越稳定．(√)3．由比结合能曲线可知，核聚变和核裂变两种核反应方式都能释放核能．(√) [后思考]裂变反应发生后，裂变反应生成物的质量增加还是减小？为什么？【提示】 减小．裂变反应释放大量的能量，所以发生质量亏损，反应后的质量减小．比结合能与原子核稳定的关系(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定．(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，就可能释放核能．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．4．下列关于结合能和比结合能的说法中，正确的有( )A．核子结合成原子核时吸收能量B．原子核拆解成核子时要吸收能量C．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D．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【解析】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错误，B 正确；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，其结合能比重核反而小，C、D选项错误．【答案】 B5．(多选)如图341所示是描述原子核核子的平均质量m与原子序数Z的关系曲线，由图可知下列说法正确的是 ( )图341A．将原子核A分解为原子核B、C一定放出能量B．将原子核D、E结合成原子核F可能吸收能量C．将原子核A分解为原子核B、F一定释放能量D．将原子核F、C结合成原子核B一定释放能量【解析】因B、C核子平均质量小于A的核子平均质量，故A分解为B、C时，会出现质量亏损，故放出核能，故A正确，同理可得B、D错，C正确．【答案】AC6．当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时，放出28.30 MeV的能量，当三个α粒子结合成一个碳核时，放出7.26 MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量约为________．【解析】6个中子和6个质子可结合成3个α粒子，放出能量3×28.30 MeV＝84.9 MeV，3个α粒子再结合成一个碳核，放出7.26 MeV能量，故6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放能量为84．9 MeV＋7.26 MeV＝92.16 MeV.【答案】92.16 MeV对比结合能曲线的理解由曲线可知中等质量的核的比结合能最大，核最稳定．质量较大的重核裂变成中等质量的核要释放能量，质量较小的轻核聚变时也要释放能量．3.光的波粒二象性[先填空]1．光的散射：光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的传播方向发生偏转，这种现象叫光的散射．蔚蓝的天空、殷红的晚霞是大气层对阳光散射形成的，夜晚探照灯或激光的光柱，是空气中微粒对光散射形成的．2．康普顿效应康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除原波长外，还发现了波长随散射角的增大而增大的谱线．X射线经物质散射后波长变长的现象，称为康普顿效应．3．康普顿的理论当光子与电子相互作用时，既遵守能量守恒定律，又遵守动量守恒定律．在碰撞中光子将能量hν的一部分传递给了电子，光子能量减少，波长变长．4．康普顿效应的意义康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面，为光子说提供了又一例证．[再判断]1．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量．(√)2．康普顿效应进一步说明光具有粒子性．(√)3．光子发生散射时，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化．(×)4．光子发生散射后，其波长变大．(√)[后思考]1．太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；宇航员在太空中尽管太阳光耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的．为什么？【提示】地球上存在着大气，太阳光经大气中的微粒散射后传向各个方向；而在太空中的真空环境下，光不再散射，只向前传播．2．光电效应与康普顿效应研究问题的角度有何不同？【提示】光电效应应用于电子吸收光子的问题，而康普顿效应应用于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题．1．对康普顿效应的理解(1)实验现象X射线管发出波长为λ0的X射线，通过小孔投射到散射物石墨上．X射线在石墨上被散射，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关．(2)康普顿效应与经典物理理论的矛盾按照经典物理理论，入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光．散射光的频率应该等于粒子受迫振动的频率(即入射光的频率)．因此散射光的波长与入射光的波长应该相同，不应该出现波长变长的散射光．另外，经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系．(3)光子说对康普顿效应的解释假定X射线光子与电子发生弹性碰撞．①光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长．②因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关，所以波长的改变与散射角有关．2．康普顿的散射理论进一步证实了爱因斯坦的光量子理论，也有力证明了光具有波粒二象性．1．(多选)美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应．关于康普顿效应，以下说法正确的是 ( )A．康普顿效应说明光子具动量B．康普顿效应现象说明光具有波动性C．康普顿效应现象说明光具有粒子性D．当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加【解析】康普顿效应说明光具有粒子性，B项错误，A、C项正确；光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒和能量守恒，故二者碰撞后，光子要把部分能量转移给电子，光子的能量会减少，D项错误．【答案】AC2．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量．如图431给出了光子与静止电子碰撞后电子的运动方向，则碰后光子可能沿__________方向运动，并且波长________(选填“不变”“变短”或“变长”)．图431【解析】因光子与电子在碰撞过程中动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前动量的方向一致，可见碰后光子运动的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由ε＝hν知，频率变小，再根据c＝λν知，波长变长．【答案】 1 变长动量守恒定律不但适用于宏观物体，也适用于微观粒子间的作用；康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性.[先填空]1．光的波粒二象性(1)光既具有波动性又具有粒子性，既光具有波粒二象性．光的波动性是指光的运动形态具有各种波动的共同特征，如干涉、衍射和色散等都有波动的表现．光的粒子性是指光与其他物质相互作用时所交换的能量和动量具有不连续性，如光电效应、康普顿效应等．(2)光子的能量和动量 ①能量：ε＝h ν. ②动量：p ＝hλ.(3)意义能量ε和动量p 是描述物质的粒子性的重要物理量；波长λ和频率ν是描述物质的波动性的典型物理量．因此ε＝h ν和p ＝hλ揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系．2．光是一种概率波光波在某处的强度代表着光子在该处出现概率的大小，所以光是一种概率波． [再判断]1．光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性．(√) 2．光子数量越大，其粒子性越明显．(×)3．光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子．(√) 4．光子通过狭缝后落在屏上明纹处的概率大些．(√) [后思考]1．由公式E ＝h ν和λ＝hp，能看出波动性和粒子性的联系吗？【提示】 从光子的能量和动量的表达式可以看出，是h 架起了粒子性与波动性之间的桥梁．2．在光的单缝衍射实验中，在光屏上放上照相底片，并设法控制光的强度，尽可能使光子一个一个地通过狭缝，曝光时间短时，可看到胶片上出现一些无规则分布的点；曝光时间足够长时，有大量光子通过狭缝，底片上出现一些平行条纹，中央条纹最亮最宽．请思考下列问题：(1)曝光时间短时，说明什么问题？【提示】 少量光子表现出光的粒子性，但其运动规律与宏观粒子不同，其位置是不确定的．(2)曝光时间足够长时，说明什么问题？【提示】大量光子表现出光的波动性，光波强的地方是光子到达的机会多的地方．(3)暗条纹处一定没有光子到达吗？【提示】暗条纹处也有光子到达，只是光子到达的几率特别小，很难呈现出亮度．1．对光的认识的几种学说在双缝干涉实验中，光子通过双缝后，对某一个光子而言，不能肯定它落在哪一点，但屏上各处明暗条纹的不同亮度，说明光子落在各处的可能性即概率是不相同的．光子落在明条纹处的概率大，落在暗条纹处的概率小．这就是说光子在空间出现的概率可以通过波动的规律来确定，因此说光是一种概率波．3．关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是( )【导学号：22482062】A．光的频率越高，衍射现象越容易看到B．光的频率越高，粒子性越显著C．大量光子产生的效果往往显示粒子性D．光的波粒二象性否定了光的电磁说【解析】光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的电磁说，只是说某些情况下粒子性明显，某些情况下波动性明显，故D错误．光的频率越高，波长越短，粒子性越明显，波动性越不明显，越不易看到其衍射现象，故B正确、A错误．大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性，故C错误．【答案】 B4．(多选)在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上．假设现在只让一个光子能通过单缝，那么该光子( )A．一定落在中央亮纹处B．一定落在亮纹处C．可能落在亮纹处D．可能落在暗纹处【解析】根据光的概率波的概念，对于一个光子通过单缝落在何处，是不可确定的，但概率最大的是落在中央亮纹处，可达95%以上．当然也可能落在其他亮纹处，还可能落在暗纹处，只不过落在暗处的概率很小而已，故只有C、D正确．【答案】CD对光的波粒二象性的两点提醒1．光的干涉和衍射及偏振说明光具有波动性，而光电效应和康普顿效应是光具有粒子性的例证．2．波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．当光与其他物质发生作用时，表现出粒子的性质；少量或个别光子易显示出光的粒子性；频率高波长短的光，粒子性显著．大量光子在传播时表现为波动性；频率低波长长的光，波动性显著．对光子落点的理解1．光具有波动性，光的波动性是统计规律的结果，对某个光子我们无法判断它落到哪个位置，我们只能判断大量光子的落点区域．2．在暗条纹处，也有光子达到，只是光子数很少．3．对于通过单缝的大量光子而言，绝大多数光子落在中央亮纹处，只有少数光子落在其他亮纹处及暗纹处．。
