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第五章　原子核與核能
核力與核能
知道核力的概念、特點和四種基本相互作用
理解結合能和比結合能的概念
認識原子核的質量虧損,并能應用質能方程進行相關的計算
重點
重難點
核力與四種基本相互作用
n
p
n
p
質子
中子
10-15m
猜想：萬有引力？
原子核是由中子和質子構成的(如圖)。在原子核那樣狹小的空間里，是什么力量把帶正電的質子緊緊地束縛在一起而不飛散開呢？
理論驗證：
質子相互間距數量級是10-15m；質子質量數量級10-27kg；
質子電荷量數量級10-19C；
萬有引力常量數量級10-11Nm2kg2；
靜電力常量數量級109 Nm2C2。
結論：萬有引力太小，只有靜電力的10-35到10-36之間 。
計算：
質子之間存在著核力作用，核力把核子束縛在原子核內。
1.核力:把原子核中的 維系在一起的力（強相互作用，也叫強力）
強相互作用-核力
1質子+2中子→
←2質子+1中子
核子
2.特點：
(1)核力是____________（強力）的一種表現。在原子核尺度內，核力比庫侖力大得多 。
(2)核力是________，約在10-15m 數量級時起作用。
(3)核力與電荷無關，核力與核子電荷無關。
(4)核力具有飽和性，每個核子只跟相鄰的核子發生核力作用 。
強相互作用-核力
(5)核素:具有一定 和 的原子核稱為核素
強相互作用
短程力
質子數
中子數
(4)核素圖
穩定的核素幾乎全落在一條曲線上,或__________
________,這個區域稱為核素的穩定區。
①對于較輕的核,核素的穩定區與N=Z重合,說明N=Z的核素比較 。
②當N、Z增大到一定數值后,穩定區逐漸向N>Z的方向偏離。隨著質子數的增加,穩定核素的中子數越來越 質子數。
緊靠曲線
的兩側
穩定
大于
弱相互作用
弱力是引起中子－質子轉變（β衰變）的原因。
弱相互作用也是短程力，力程比強力（強相互作用）更短，為10-18m
作用強度則比強力小。
四種基本相互作用
強相互作用
四種相互作用按由強到弱排列： 作用、 相互作用、_______作用、 作用。
強相互
電磁
弱相互
引力相互
弱相互作用
引力相互作用
電磁相互作用
為什么較輕的原子核質子數與中子數大致相等,但對于較重的原子核中子數大于質子數,越重的原子核,兩者相差越多
質子之間除了核力外,還有正電荷之間的庫侖斥力,而中子和質子之間只有核力,沒有庫侖斥力。質量數較大的原子核中,中子數較多,可以緩解質子之間的庫侖斥力的影響,因此質量數越多、質子數相對較多的原子核中,就需要更多的中子來維持核的穩定,因此,在大而穩定的原子核中,中子數量多于質子。
(1)核力是短程力,作用范圍很小,只在鄰近核子間發生。(　　)
(2)原子核中,質子與質子間有核力,質子和中子間沒有核力。(　　)
(3)在原子核中,質子數和中子數總是相等的。(　　)
(4)核外電子與原子核間的萬有引力和庫侖力大小相當。(　　)
√
×
×
×
結合能與平均結合能
宏觀模型
相距很遠的兩個物體，由于萬有引力而相互接近，
運動速度越來越大，引力勢能轉化為動能最后撞在一起，
動能變成它們的內能散失掉了。
兩個物體為了結合而付出了代價——失去了一些能量，
如果要把它們分開，還要重新賦予它們這份能量
1
2
要使電子電離，也就是要給予足夠的能量使電子脫離原子，這個能量叫做氫原子的電離能
微觀模型
微觀模型
原子核是核子憑借核力結合在一起構成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結合能。
γ為光子，能量ε≥27.386 MeV，反應才能發生
γ為光子，能量ε＝27.386 MeV
把核子分開需要的最小能量與核子結合放出的能量相等
分開氦原子核
核子結合成氦原子核
核子分開
吸收能量
核子結合
放出能量
氦原子核是由兩個質子和兩個中子憑借核力結合在一起的，要把它們分開，需要吸收能量。反過來，4個核子結合成氦原子核要放出能量。那么，把核子分開需要的能量與核子結合放出的能量有什么關系？
結合能
1.結合能
核子結合成原子核所 的能量稱為原子核的結合能。
釋放
2.比結合能
原子核的結合能與 之比，叫作比結合能，也叫作 結合能。比結合能越大，原子核中核子結合得越 ，原子核越 。
核子數
平均
牢固
穩定
(1)定義:原子核的結合能與其 之比稱為該核的平均結合能,又稱為比結合能。
(2)意義:平均結合能反映了原子核結合的 或分裂的難易程度。平均結合能越大,原子核越難分離成單個,核子越 。
(3)重核的平均結合能比中等質量核的要 ,輕核的平均結合能比稍重的核的要 。
質量數
穩定程度
穩定
小
小
平均結合能
質量虧損
(1) 任何一個原子核的質量總是 組成它的所有核子的質量之和,這一差值稱為質量虧損。
(2)愛因斯坦質能方程與結合能的計算:
愛因斯坦質能方程E=mc2
核子結合成原子核時釋放的結合能為ΔE= ,其中Δm為 。
小于
Δmc2
質量虧損
擴展：質量為m的物體，所蘊含的能量E＝______
mc2
質能方程
E = m c2
↓
能量
↓
質量
↓
光速
3.對質能方程E＝mc2的理解
(1)質能方程E＝mc2說明一定的質量總是跟一定的能量相聯系。具體地說，一定質量的物體所具有的總能量是一定的，E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)根據質能方程E＝mc2，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。
(3)根據質能方程ΔE＝Δmc2，核反應過程中發生的質量虧損，并不是消失了，減少的質量Δm在核子結合成原子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。
物理學家研究質子、中子和氘核之間的質量關系發現：
核反應質量虧損
氘核
→能量
中子
（mn）
質子
（mp）
原子核的比結合能隨質量數的變化曲線（實驗數據）
1.中等大小的核比結合能最大
2.中等大小的核平均每個核子的
質量虧損最大
3.中等大小的核最穩定
1.(2023·云南鹽津縣高二期末)下列關于結合能和比結合能的說法正確的是
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.重核與中等質量的原子核相比較,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
√
2.(2023·北京市海淀區高二期末)原子核的比結合能(平均結合能)曲線如圖所示,下列說法正確的是
A.H核的結合能約為1 MeV
B.Ba核比U的結合能更大
C.He核比Li核更穩定
D.兩個H核結合成He核時吸收能量
√
3.(2023·福建泉州市高三統考)“玉兔二號”是我國研制的月面巡視探測器,若其上裝核電池,將大大延長工作時間。核電池將Pu衰變釋放的核能一部分轉換成電能，Pu的衰變方程為PuU+X,已知Pu的質量為m1，U的質量為m2,X的質量為m3,真空中光速為c,則
A.衰變方程中的X為He
B.衰變方程中的X為中子
C.該衰變過程釋放的核能為(m1+m2+m3)c2
D.該衰變過程釋放的核能為(m1-m2-m3)c2
√
(1)寫出鈾核的衰變反應方程；
(2)算出該衰變反應中釋放出的核能；
(3)若釋放的核能全部轉化為新核的動能，則α粒子的動能為多少？
(2)質量虧損Δm＝mU－mα－mTh＝0.005 9 u
ΔE＝0.005 9×931.5 MeV≈5.50 MeV
(3)衰變前后系統動量守恒，釷核和α粒子的動量大小相等、方向相反，即pTh＋(－pα)＝0
由題意知EkTh＋Ekα＝ΔE
所以α粒子獲得的動能
核能的計算方法
1.根據核反應過程，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ΔE＝Δmc2計算核能。
(1)若Δm的單位是千克，則需要將c＝3×108 m/s代入，計算得到的ΔE的單位為焦耳。
(2)若Δm的單位是原子質量單位u，則可用ΔE＝Δm×931.5 MeV計算，即用質量虧損的原子質量單位數乘以931.5 MeV。(1 u相當于931.5 MeV)
3.在無光子輻射的情況下，核反應中釋放的核能全部轉化為生成的新核和新粒子的動能。
核力與結合能
目標一：核力與四種基本相互作用
比結合能（平均結合能）
=結合能÷核子數
強相互作用-核力
質能方程：
目標二：結合能
與平均結合能
弱相互作用
萬有引力
電磁力
結合能：原子核分解成核子時所吸收的能量，也是核子結合成原子核而釋放的能量。

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