資源簡介

5.3 核力與結合能
學習目標
1、知道核力的概念、特點及自然界存在的四種基本相互作用。
2、知道穩定原子核中質子與中子的比例隨著原子序數的增大而減小。
3、理解結合能的概念，知道核反應中的質量虧損。
4、知道愛因斯坦的質能方程，理解質量與能量的關系。
重點難點
1、質量虧損及愛因斯坦的質能方程的理解。（重點）
2、結合能的概念、愛因斯坦的質能方程、質量與能量的關系。（難點）
自主探究
一、核力與四種基本相互作用
1、什么是核力
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合在一起，這種力稱為核力。
2、核力是短程力
核力是一種強相互作用力，在它的作用范圍內比庫侖力大得多；核力是一種短程力，作用范圍僅局限于1.5×10－15 m，在大于0.8×10－15 m時表現為引力，超過1.5×10－15 m時，核力急劇下降為零；而距離小于0.8×10－15 m時，核力表現為斥力。
3、核力的飽和性
每個核子只跟相鄰的核子發生核力的作用。
二、結合能
1、結合能
把原子核分解為獨立的核子，需要克服強大的核力做功，因此需要吸收的能量或核力把核子結合在一起放出的能量，稱為原子核的結合能。
2、比結合能
結合能與核子數之比稱為比結合能。比結合能越大，表示原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩定。
三、質量虧損
1、質量虧損
核反應前與反應后的總質量之差稱為質量虧損。
2、愛因斯坦質能方程：E＝mc2。
3、核能的計算：ΔE＝Δmc2，其中Δm是質量虧損。
探究思考
一、對質能方程和質量虧損的理解
1、質能方程E＝mc2的理解
（1）質能方程說明，一定的質量總是跟一定的能量相聯系的。具體地說，一定質量的物體所具有的總能量是一定的，等于光速的平方與其質量之積，這里所說的總能量，不是單指物體的動能、核能或其他哪一種能量，而是物體所具有的各種能量的總和。
（2）運用質能方程時應注意單位．一般情況下，公式中各量都應取國際單位，但在微觀領域，用國際制單位往往比較麻煩，習慣上常用“原子質量單位”和“電子伏特”作為質量和能量的單位。
（3）根據質能方程，物體的總能量與其質量成正比．物體質量增加，則總能量隨之增加；質量減少，總能量也隨之減少，這時質能方程也寫作ΔE＝Δmc2。
2、質量虧損Δm的理解
所謂質量虧損，并不是質量消失，減少的質量在核子結合成核的過程中以能量的形式輻射出去了；反過來，把原子核分裂成核子，總質量要增加，總能量也要增加，增加的能量要由外部供給。
【典例一】1、
解題思路：
答案：
二、結合能的計算
1、根據質量虧損計算
其步驟如下：
（1）根據核反應方程，計算核反應前和核反應后的質量虧損Δm。
（2）根據愛因斯坦質能方程E＝mc2或ΔE＝Δmc2計算核能。
2、利用原子質量單位u和電子伏特間的關系計算
（1）明確原子質量單位u和電子伏特間的關系：
因為1 u＝1.660 6×10－27 kg，
則E＝mc2＝1.660 6×10－27×(3.0×108)2 J≈1.49×10－10 J。
又1 eV＝1.6×10－19 J，
則E＝1.49×10－10 J＝931.25 MeV。
（2）根據（1），原子質量單位(u)相當于931.25 MeV能量，用核子結合成原子核時質量虧損的原子質量單位數乘以931.25 MeV，即ΔE＝Δm×931.25 MeV。
3、利用平均結合能來計算核能
原子核的結合能＝核子的平均結合能×核子數．核反應中反應前系統內所有原子核的總結合能與反應后生成的所有新核的總結合能之差，就是該次核反應所釋放(或吸收)的核能。
4、根據能量守恒和動量守恒來計算核能
參與核反應的粒子所組成的系統，在核反應過程中的動量和能量是守恒的，因此，在題給條件中沒有涉及質量虧損，或者核反應所釋放的核能全部轉化為生成的新粒子的動能而無光子輻射的情況下，從動量和能量守恒可以計算出核能的變化。
5、應用阿伏加德羅常數計算核能
若要計算具有宏觀質量的物質中所有原子核都發生核反應所放出的總能量，應用阿伏加德羅常數計算核能較為簡便。
（1）根據物體的質量m和摩爾質量M由n＝求出物質的量，并求出原子核的個數：N＝NAn＝NA。
（2）由題設條件求出一個原子核與另一個原子核反應放出或吸收的能量E0(或直接從題目中找出E0)。
（3）再根據E＝NE0求出總能量。
【典例二】2、如圖所示是原子核的平均核子質量A與原子序數Z的關系圖像。下列說法正確的是( )
A.若能結合成F，結合過程一定要釋放能量
B.若能結合成F，結合過程一定要吸收能量
C.若能結合成G，結合過程一定要釋放能量
D.若能結合成B，結合過程一定要釋放能量
解題思路： 由題圖知，的平均核子質量大于F的平均核子質量，結合成F時，出現質量虧損，要釋放能量，A對，B錯；結合成A和結合成B都是質量增加，結合過程要吸收能量，C、D錯。
答案： A
隨堂訓練
1、下面關于結合能和比結合能的說法中，正確的有( )
A.核子結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合能
B.比結合能越大的原子核越穩定，因此它的結合能也一定越大
C.重核與中等質量原子核相比較，重核的結合能和比結合能都大
D.中等質量的原子核的結合能和比結合能均比輕核的要大
答案：D
2、下列關于愛因斯坦質能方程的說法中正確的是( )
A.只有運動物體才具有能量，靜止物體沒有能量
B.—定的質量總是和一定的能量相對應
C.中能量E其實就是物體的內能
D.由知質量和能量可以互相轉化
答案：B
3、一個中子與質子發生核反應，生成一個氘核，其核反應方程為.若該核反應放出的核能為，則氘核的比結合能為( )
A. B. C. D.
答案：C
4、钚的一種同位素衰變時釋放巨大能量，其衰變方程為，則( )
A.核燃料總是利用比結合能小的核
B.核反應中光子的能量就是結合能
C.核比核更穩定，說明的結合能大
D.衰變時釋放巨大能量，所以比的比結合能小
答案：AD
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