高中物理第四章原子核4.4核力与结合能教案粤教版选修3_

第四节核力与结合能[先填空]1．核力(1)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)特点：核力是一种很强的力，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的距离内表现为强大的斥力，大于2×10－15m 核力就迅速减小到零，所以核力是一种短程力．2．重核和轻核排在周期表比较靠后的元素对应的原子核叫做重核；排在比较靠前的叫轻核．[再判断]1．核力有时表现为引力，有时表现为斥力．(√)2．原子核中的中子数又称为原子序数．(×)3．所有的原子核中中子数等于质子数．(×)[后思考]原子核内只有相邻的核子间才存在相互作用的核力，不相邻的核子间不存在核力，这是为什么？【提示】因为核力是短程力，作用范围在2×10－15m左右，原子核内相邻核子间距在这个范围内，而不相邻核子间距已超过0.5×10－15～2×10－15m，故不存在核力作用．1．四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用(1)引力相互作用：引力主要在宏观和宏观尺度上“独领风骚”．是引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状．万有引力是长程力．(2)电磁相互作用：电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原子结合成分子，使分子结合成液体和固体．(3)强力：即强相互作用，在原子核内，强力将核子束缚在一起，强力是短程力．(4)弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因．弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为10－18m，作用强度则比电磁力小．2．核力的性质(1)核力是四种相互作用中的强相互作用(强力)的一种表现．(2)核力是短程力．约在10－15 m数量级时起作用，距离大于0.8×10－15 m时为引力，距离小于0.8×10－15 m时为斥力，距离为10×10－15 m时核力几乎消失．(3)核力具有饱和性．核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用．(4)核力具有电荷无关性．核力与核子电荷无关．3．原子核中质子与中子的比例关系(1)较轻的原子核质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多．(2)形成原因：①若质子与中子成对地人工构建原子核，随原子核的增大，核子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快．所以当原子核增大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了．②若只增加中子，因为中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多．③由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的．1．对核力的认识，下列说法正确的是()A．任何物体之间均存在核力B．每个核子只跟邻近的核子发生核力作用C．核力只存在于质子之间D．核力是弱相互作用的一种表现【解析】由核力的特点知道，只有相距1.5×10－15 m的核子之间存在核力，核力是短程力，核力只发生在核子之间，是强相互作用．【答案】 B2．对原子核的组成，下列说法正确的是()【导学号：55272130】A．核力可使一些中子组成原子核B．核力可使非常多的质子组成原子核C．自然界中不存在只有质子的原子核D．质量较大的原子核内一定有中子【解析】由于原子核带正电，不存在只有中子的原子核，但核力也不能把非常多的质子聚集在一起组成原子核，原因是核力是短程力，质子之间还存在“长程力”——库仑力，A、B错误；自然界中存在只有一个质子的原子核，如1H，C错误；较大质量的原子核内只有存在一些中子，才能削弱库仑力，维系原1子核的稳定，故D正确.【答案】 D3．(多选)关于原子核中质子和中子的说法，正确的是()A．原子核中质子数和中子数一定相等B．稳定的重原子核里，质子数比中子数少C．原子核都是非常稳定的D．由于核力的作用范围是有限的，核力具有饱和性，不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在【解析】由稳定核的质子数与中子数的关系图象可知，质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多，故A错误B正确；原子核可以发生衰变，且原子序数大于或等于83的元素都有放射性，故C错误；由核力作用特点可知，核子数越多的原子核越不稳定，故D正确．【答案】BD1．核力是强相互作用力，只存在于相邻核子之间．2．核力的存在与核子是否带电及电性无关．3．原子核的稳定性与核力和库仑力的大小关系有关．[先填空]1．两个典型核反应方程(1)用γ光子照射氘核，使它分解的核反应方程为：γ＋21H→11H＋10n(2)一个中子和一个质子结合成氘核的核反应方程为：1H＋10n→21H＋γ1(3)由于核子间存在强大的核力，要把原子核拆散成核子，需要克服核力做功，也就是要提供一定的能量．2．结合能：核子结合成原子核时也会放出一定的能量．这个能量叫做原子核的结合能．3．平均结合能：原子核的结合能与核子数之比叫平均结合能．4．爱因斯坦质能方程：ΔE＝Δmc2.[再判断]1．氘核分解为质子和中子时，要放出能量．(×)2．结合能反映了一个原子核结合的紧密程度，结合能越大，原子核越稳定．(×)3．由于核反应存在质量亏损，所以反应前后质量不守恒，但能量是守恒的．(×)[后思考]有人认为所有的核反应都伴随着质量亏损．故都释放核能，这种说法对吗？【提示】不对．例如一个氘核被拆成一个中子和一个质子时，需要用γ光子照射获得等于或大于2.2 MeV 的能量，这个核反应才能实现．可见有的核反应释放能量，有的核反应吸收能量，无论是吸收的还是放出的能量在核反应中均称为核能．1．平均结合能与原子核稳定的关系(1)平均结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，平均结合能越大，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，平均结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，平均结合能较大，表示原子核较稳定.(3)当平均结合能较小的原子核转化成平均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．2．对质量亏损的理解(1)在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒的规律．核反应中的质量亏损，并不是这部分质量消失或质量转变为能量．物体的质量应包括静止质量和运动质量，质量亏损是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量.(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．3．对质能方程的理解(1)爱因斯坦质能方程反映了质量亏损与释放能量间的数量关系ΔE＝Δmc2，或物体的质量与其总能量的数量关系E＝mc2，此方程揭示了质量和能量不可分割，二者在数值上存在着简单的正比关系．(2)切记不要误认为亏损的质量转化为能量．核反应过程中质量亏损，是静止的质量减少，辐射γ光子的动质量刚好等于亏损的质量，即反应前后仍然遵循质量守恒和能量守恒．4．核能的计算(1)根据爱因斯坦的质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中光速的平方(c＝3×108 m/s)，即ΔE＝Δmc2.(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏特(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.4．下列关于结合能和平均结合能的说法中，正确的有()A．核子结合成原子核时放出能量，拆解原子核要吸收能量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小【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正确；平均结合能越大的原子核越稳定，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，其结合能比重核反而小，B、C选项错误；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选项错误．【答案】 A5．(多选)关于质能方程，下列哪些说法是正确的()【导学号：55272131】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】BD6．取质子的质量m p＝1.672 6×10－27 kg，中子的质量m n＝1.674 9×10－27 kg，α粒子的质量mα＝6.646 7×10－27 kg，光速c＝3.0×108 m/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)－mα结合能ΔE＝Δmc2代入数据得ΔE＝4.3×10－12 J.【答案】 4.3×10－12 J核能的两种计算方法1．若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2.2．若以原子单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×931.5 MeV.3．两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1 MeV＝1×106×1.6×10－19 J＝1.6×10－13 J。

明此过程中出现了质量亏损
D．E＝mc2中的E是发生核反应中释放的核能
解析 爱因斯坦质能方程E＝mc2，定量地指出了物体能量和 质量之间的关系，A正确；由质能方程知，当物体的质量减 少时，物体的能量降低，向外释放了能量；反之，若物体的 质量增加了，则物体的能量升高，表明它从外界吸收了能量， 所以由物体的质量变化能算出物体的能量变化，故B、C正确， D错误． 答案 D
三、对质能方程本质的理解 爱因斯坦质能方程反映的是质量亏损和释放出核能这两种 现象之间的联系，并不表示质量和能量之间的转变关 系．对于质量亏损，不能理解为质量转变成了能量．质能 方程的本质是：
1．质量或能量是物质的属性之一，绝不能把物质和它们的 某一属性(质量和能量)等同起来．
2．质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，建立了这两 个属性在数值上的关系，这两个量分别遵守质量守恒和 能量守恒，质量和能量在数值上的联系绝不等于这两个 量可以相互转化．
核力的性质 (1)核力是 强相互作用 (强力)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 短程力 ，作用范围在 0.5×10－15 m～
2×10－15 m 的距离内，核力在大于0.8×10－15 m小 于2×10－15 m的范围内表现为 吸引力 ，在 小 于0.8×10－ 15 m时表现为 斥力 ．
解析 要掌握好核力的基本特点，掌握核力与万有引力、电 磁力的区别，这是解决核力问题的关键． 核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围在1.5×10－15 m之内，核力比库仑力大得多，因此选项B正确、A错误．核 力在大于0.8×10－15 m时表现为吸引力，且随距离的增大而 减小；在距离小于0.8×10－15 m时，核力表现为斥力，因此 核子不会融合在一起，所以选项C正确．人们对核力的了解 还不是很清楚，这正是科学家们奋力攻克的堡垒，故选项D 不正确． 答案 BC

借题发挥 结合能、平均结合能的对比理解 (1)核子结合成原子核时一定释放能量，原子核分解成核 子时一定吸收能量．吸收或释放的能量越大，表明原子 核的结合能越大． (2)平均结合能为结合能与核子数的比值，平均结合能越 大表明原子核越稳定．一般情况下，中等质量的原子核 比轻核和重核的平均结合能大．
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
二、重核与轻核 原子核中质的子数 又称为原子序数，排在周期表比后较靠
的元素对应的原子核叫做重核，排在比较靠前 的叫做轻核． 一般排在周期表最前面的轻核的质子和中子数相等 ，但是 大多数重核是中子多于 质子．
结合能
放出
3．平均结合能：原子核的结合能核与子数 之比称为该原 子核的平均结合能．它反映了一个原子核结合的紧密程 度，平均结合能越大，表示原子核结合得越稳定． 4．爱因斯坦质能方程：E＝mc2或ΔE＝Δmc2
一、对核力的理解 核力是原子核内核子与核子之间的相互作用，它发生
在质子与质子之间、质子与中子之间、中子与中子之间 ，是一种超短程力，且是一种强相互作用，在作用的范 围内，核力远大于库仑力．
【例1】 (多选)对于核力，以下说法正确的是 () A．核力是弱相互作用，作用力很小 B．核力是强相互作用的表现，是强力 C．核子之间的距离小于0.5×10－15 m时，核力表现为
针对训练1 下列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

先学案第四节：核力和结合能班级姓名学号评价【自主学习】一、学习目标1.知道核力的性质.2.能简单解释轻核和重核内中子数、质子数具有不同比例的原因.3.知道原子核的结合能和平均结合能的概念.4.知道什么是质量亏损，能应用质能方程进行计算．二、重点难点1．核力及其性质2．结合能和平均结合能的概念.三、问题导学1．什么叫核力？它有什么特点？2．什么叫结合能？3．什么叫质量亏损？怎样计算核能？、四、自主学习（阅读课本P81-83页，《金版学案》P75-77知识点1、2、3）1．完成《金版学案》P75预习篇五、要点透析见《金版学案》P75-77知识点1、2、3）【预习自测】1．一些较轻的原子核如42He、16 8O、12 6C、14 7N中质子数和中子数有什么关系？2.238 92U、234 90Th中各有多少个中子、多少个质子？较重的原子核中中子数和质子数有什么关系？3．如图所示是不同原子核的平均结合能随质量数变化的曲线．(1)从图中看出，中等质量的原子核与重核、轻核相比平均结合能有什么特点？平均结合能的大小反映了什么？(2)平均结合能较小的原子核转化为平均结合能较大的原子核时是吸收能量还是放出能量？4．（双选）关于质能方程，下列哪些方法是正确的（）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【巩固拓展】课本作业P83练习1、2、31．（单选）氦原子核由两个质子与两个中子组成，这两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则3种力从大到小的排列顺序是( )A．核力、万有引力、库仑力 B．万有引力、库仑力、核力C．库仑力、核力、万有引力 D．核力、库仑力、万有引力2．(双选)关于核力，下列说法中正确的是( )A．核力是电磁力的一种，是核子中电荷间的相互作用B．核力就是分子力，都属于短程力C．只有相邻核子之间才存在核力的作用D．核子间的距离大于0.8×10－15 m时核力表现力引力，距离小于0.8×10－15 m时核力表现为斥力，超过1.5×10－15 m时核力急剧下降几乎消失3．历史上第一次利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为0.5 MeV的质子11H轰击静止的A Z X，生成两个动能均为8.9 MeV的42He.(1 MeV＝1.6×10－13 J)(1)上述核反应方程为________________________．(2)质量亏损为________ kg.第四节：核力和结合能班级姓名学号评价【课堂检测】一、原子核中质子和中子的比例1．(单选)关于原子核中质子和中子的说法，正确的是( )A．原子核中质子数和中子数一定相等B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多C．原子核都是非常稳定的D．对于较重的原子核，由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果继续增大原子核，形成的核也一定是不稳定的二、结合能2．(单选)下列关于结合能和平均结合能的说法中，正确的有 ( )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三、质量亏损和核能的计算3．已知氮核质量M N＝14.007 53 u，氧17核的质量M O＝17.004 54 u，氦核质量M He＝4.003 87 u，氢核质量M H＝1.008 15 u，试判断：147N＋42He→178O＋11H这一核反应是吸收能量还是放出能量？能量变化是多少？●【互动研讨】1．由于核力是__ __力及核力的饱和性，自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但较重的原子核，中子数____质子数，越重的原子核，两者相差越多．2．核子数较小的轻核和核子数较大的重核，平均结合能________， _______的原子核，平均结合能较大．当平均结合能较小的原子核转化为平均结合能较大的原子核时会___ ______核能．3．质能方程：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＝___ _____.第四节：核力和结合能班级姓名学号评价●【当堂训练】1．(单选)对核子结合成原子核的下列说法正确的是 ( )A．原子核内的核子间均存在核力B．原子核内的质子间均存在核力和库仑力C．稳定原子核的质子数总是与中子数相等D．对质子数较多的原子核，其中的中子数起到增加核力、维系原子核稳定的作用2.（多选）中子和质子结合成氘核时，质量亏损为m ∆，相应的能量2 2.2MeV E mc ∆=∆=是氘核的结合能。