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高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第五章 原子核3 核力与结合能教学ppt课件
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这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第五章 原子核3 核力与结合能教学ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了课前·基础认知，课堂·重难突破，素养·目标定位，随堂训练，模型方法·素养提升，素养•目标定位，目标素养，知识概览，答案CD，模型方法•素养提升等内容，欢迎下载使用。
1.知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用。2.知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小。3.理解结合能的概念,知道核反应中的质量亏损。4.知道爱因斯坦的质能方程,理解质量与能量的关系。5.认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义。
一、核力与四种基本相互作用1.强相互作用。(1)定义:原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用,即存在一种 核力 ,它使得核子紧密地结合在一起,形成稳定的原子核,这种作用称为 强相互作用 。 (2)特点:①核力是 强相互作用 的一种表现,在原子核内,核力比库仑力大得多。 ②是短程力,作用范围只有约 10-15 m。
2.弱相互作用。(1)定义:在某些放射现象中起作用的还有另一种基本相互作用,称为弱相互作用。(2)也是短程力,作用范围只有 10-18 m。 3.四种基本相互作用。
微训练 (多选)关于核力,下列说法正确的是( )A.核力是一种特殊的万有引力B.原子核内只有质子和质子间有核力作用,而中子和中子之间、质子和中子之间则没有核力作用C.核力是原子核稳定存在的原因D.核力是一种短程力答案:CD
解析:核力与万有引力、库仑力的性质不同,核力是短程力,选项A错误,D正确;核力只存在于相邻的核子之间,质子间、中子间、质子和中子间都可以有核力作用,核力是原子核能稳定存在的原因,选项B错误,C正确。
二、结合能1.结合能。原子核是核子凭借 核力 结合在一起构成的,要把它们分开,也需要 能量 ,这就是原子核的结合能。 2.比结合能。原子核的结合能与 核子数 之比,叫作比结合能,也叫平均结合能。比结合能越大,原子核中核子结合得 越牢固 ,原子核越稳定。
微思考 氦原子核是由两个质子和两个中子凭借核力结合在一起的,要把它们分开,需要吸收能量;反过来,4个核子结合成氦原子核要放出能量。那么,把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系?提示:相等。原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开需要能量,这个能量与核子结合成原子核而释放的能量相等。
三、质量亏损1.质能方程。物体的能量与它们质量的关系: E=mc2 。 2.质量亏损。原子核的质量 小于 组成它的核子的质量之和的现象。
3.原子核的比结合能曲线。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 。
微判断 (1)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因。( )(2)结合能越大,核子结合得越牢固,原子越稳定。( )(3)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。( )(4)自由核子结合为原子核时,可能吸收能量。( )(5)质能方程E=mc2表明了质量与能量间的一种对应关系。( )
重难归纳1.核力的性质。(1)核力:原子核中的核子之间的相互作用力。(2)作用:使得核子紧密地结合在一起,形成稳定的原子核。(3)核力是四种相互作用中的强相互作用的一种表现。(4)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。
一 对核力与四种基本相互作用的理解
(5)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。(6)核力具有电荷无关性:核力与核子电荷无关。
2.四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”。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。(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)强相互作用:在原子核内,强相互作用将核子束缚在一起,强相互作用是短程力。
(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,其力程比强相互作用更短,为10-18 m,作用强度则比电磁力小。
下图为3H和3He的原子核结构示意图。(1)质子都带正电,质子与质子之间存在着库仑斥力,为什么3He还能稳定地存在?(2)自然界中存在的元素是有限的,为什么质子与中子不能随意地组合,从而形成无数不同的原子核?
提示:(1)因为质子之间除了存在库仑斥力还存在核力。(2)当核子增多时,原子核增大,核子间的距离也增大,形成的核不稳定,最终会瓦解。因此质子与中子不能随意地组合形成无数不同的原子核。
典例剖析关于核力,下列说法正确的是( )A.在原子核内,靠核力将所有核子束缚在一起B.在原子核内,只有质子和中子之间有核力C.在原子核内,任意两个核子之间都存在核力的作用D.核力和万有引力是同种性质的力答案:A
解析:在原子核内,靠核力将所有核子束缚在一起,选项A正确;质子和质子、质子和中子、中子和中子之间都存在核力,选项B错误;核力只在相邻的核子之间起作用,选项C错误;核力与万有引力不是同一种性质的力,选项D错误。规律总结 1.核力是强相互作用的一种表现,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有关。
学以致用(多选)对原子核的组成,下列说法正确的是( )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答案:CD
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,因为核力是短程力,质子之间还存在“长程力”——库仑力,选项A、B错误;自然界中存在只有一个质子的原子核,如 ,选项C正确;较大质量的原子核内只有存在一些中子,才能削弱库仑力,维系原子核的稳定,选项D正确。
重难归纳1.比结合能曲线。不同原子核的比结合能随质量数变化的图线如图所示。从图中可看出,中等质量原子核的比结合能最大,轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核的比结合能小。
二 比结合能与原子核的稳定程度
2.比结合能与原子核稳定程度的关系。(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。
下图为原子核的比结合能示意图。(1)随着质量数的增加,比结合能曲线整体上有什么变化规律?(2)比结合能的大小与原子核的稳定性有什么关系?
提示:(1)随着质量数的增加,比结合能曲线整体上先增大再减小,中等大小核的比结合能最大。(2)比结合能越大原子核越稳定。
典例剖析(多选)下列关于结合能和比结合能的说法正确的有( )A.核子结合成原子核时放出能量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答案:AB
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,选项A、B正确;比结合能越大的原子核越稳定,但比结合能大的原子核,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的大,但由于核子数比重核少,其结合能反而比重核小,选项C、D错误。
规律总结 1.核子结合成原子核时一定释放能量,原子核分开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.比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比结合能大。
学以致用(多选)原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线,下列判断正确的有( )
核能的计算方法——科学思维培养方法归纳1.对质能方程的理解。(1)质能方程E=mc2。①质能方程说明一定的质量总是跟一定的能量相联系的。具体地说,一定质量的物体所具有的总能量是一定的,这里所说的总能量,不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量,而是物体所具有的各种能量的总和。
②根据质能方程,物体的总能量与其质量成正比。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,这时质能方程也写作ΔE=Δmc2。
(2)质能方程的本质。①质量或能量是物质的属性之一,决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,方程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不等于这两个量可以相互转化。
2.对质量亏损的理解。(1)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。(2)质量亏损不是否定了质量守恒定律。根据爱因斯坦的相对论,辐射出的γ光子静质量虽然为零,但它有动质量,而且这个动质量刚好等于亏损的质量,所以质量守恒、能量守恒仍成立。
3.核能的计算。(1)根据质量亏损来计算。①根据核反应方程,计算核反应前和核反应后的质量亏损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。①明确原子质量单位u和电子伏特之间的关系。1 u=1.660 5×10-27 kg,1 eV=1.602 2×10-19 J②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/u。其中Δm的单位是u,ΔE的单位是MeV。
(3)根据能量守恒和动量守恒来计算核能。 参与核反应的粒子所组成的系统,在核反应过程中的动量和能量是守恒的,因此,利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化。(4)利用比结合能来计算核能。原子核的结合能=原子核的比结合能×核子数。核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差,就是该次核反应所释放(或吸收)的核能。
下图是原子核转变示意图。(1)在核反应过程中质量数、核电荷数是否守恒?(2)在该核反应过程中会释放出能量,反应前后原子核的质量是否会发生变化?提示:(1)在核反应过程中质量数与核电荷数守恒。(2)核反应过程中会发生质量亏损。
典例剖析1.1932年,考克饶夫和瓦尔顿用质子加速器进行人工核蜕变实验,验证了质能关系的正确性。在实验中,锂原子核俘获一个质子后成为不稳定的铍原子核,随后又蜕变为两个原子核,核
别为m1=1.007 28 u、m2=7.016 01 u、m3=4.001 51 u,光在真空中的传播速度为c,则在该核反应中( )A.质量亏损Δm=4.021 78 uB.释放的核能ΔE=(m1+m2-2m3)c2C.铍原子核内的中子数是5D.X表示的是氚原子核
2.已知1个质子的质量mp=1.007 277 u,1个中子的质量mn=1.008 665 u,氘核的质量为2.013 553 u,1 u的质量亏损所释放的能量为931.5 MeV,由此计算一个中子和一个质子结合成氘核时释放的核能。答案:2.23 MeV解析:中子和质子的质量和为M=mn+mp=1.008 665 u+1.007 277 u=2.015 942 u质量亏损Δm=2.015 942 u-2.013 553 u=0.002 389 u则一个中子和一个质子结合成氘核时所释放的核能ΔE=0.002 389×931.5 MeV=2.23 MeV。
规律方法 判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法 1.根据反应前后质量的变化情况进行判断,若质量减少即发生了质量亏损,则释放能量;若质量增加,则吸收能量。 2.根据动能变化判断,若不吸收光子而动能增加则放出能量。
形式释放出来,放出的α粒子的速度大小为多少?(已知1 u=1.66×10-27 kg,光速c=3×108 m/s)答案:9.71×10-13 J 1.69×107 m/s
解析:衰变后质量亏损为Δm=226.025 4 u-(222.016 3 u+4.002 6 u)=0.006 5 u放出的能量为ΔE=0.006 5×1.66×10-27×(3×108)2 J=9.71×10-13 J。
1.关于相互作用,下列说法正确的是( )A.地球对较近的月球有引力的作用,对遥远的火星则没有引力作用B.原子核中质子和中子能紧密地结合在一起,是因为它们之间存在弱相互作用C.电荷间的相互作用和磁体间的相互作用,本质上是同一种相互作用的不同表现D.强相互作用的作用范围比电磁相互作用的作用范围大答案:C
解析:根据万有引力定律,虽然地球和火星之间的距离较大,但是它们之间有引力作用,故选项A错误;原子核中质子和中子能紧密地结合在一起,是因为它们之间存在强相互作用,故选项B错误;电荷间的相互作用和磁体间的相互作用,本质上都是电磁相互作用,故选项C正确;强相互作用是短程力,它的作用范围比电磁相互作用的作用范围小得多,故选项D错误。
2.(多选)对于核力,以下说法正确的是( )A.核力是弱相互作用力,作用力很小B.核力是强相互作用的一种表现C.核子之间的距离小于0.8×10-15 m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起D.人们对核力的了解很清楚,特别是在小于0.8×10-15 m时核力的变化规律更清楚答案:BC
解析:核力是强相互作用的一种表现,它的作用范围约10-15 m,核力比库仑力大得多,选项B正确,A错误。核力在大于0.8×10-15 m时表现为引力,且随距离增大而减小;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,选项C正确。人们对核力的了解还不是很清楚,选项D错误。
3.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,中子数比质子数多C.原子核都是非常稳定的D.两个质子之间,不管距离如何,核力总是大于库仑力答案:B
解析:原子核中质子数和中子数不一定相等,特别是在原子序数大的重原子核中,中子数比质子数多,且原子序数大的和原子序数小的都没有中等质量的原子核稳定,故选项A、C错误,B正确;核力是短程力,作用范围在1.5×10-15 m内,超过此范围,核力急剧减小,会小于库仑力,故选项D错误。
4.核子结合成原子核或原子核分解为核子时,都伴随着巨大的能量变化,这是因为( )A.原子核带正电,电子带负电,电荷间存在很大的库仑力B.核子具有质量且相距很近,存在很大的万有引力C.核子间存在着强大的核力D.核子间存在着复杂的磁力答案:C
解析:核子之间存在核力作用,核子结合成原子核或原子核分解为核子时,都有核力作用,故伴随着巨大的能量变化,故选项C正确。
5.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,释放的能量为多少?答案:92.16 MeV
1.知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用。2.知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小。3.理解结合能的概念,知道核反应中的质量亏损。4.知道爱因斯坦的质能方程,理解质量与能量的关系。5.认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义。
一、核力与四种基本相互作用1.强相互作用。(1)定义:原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用,即存在一种 核力 ,它使得核子紧密地结合在一起,形成稳定的原子核,这种作用称为 强相互作用 。 (2)特点:①核力是 强相互作用 的一种表现,在原子核内,核力比库仑力大得多。 ②是短程力,作用范围只有约 10-15 m。
2.弱相互作用。(1)定义:在某些放射现象中起作用的还有另一种基本相互作用,称为弱相互作用。(2)也是短程力,作用范围只有 10-18 m。 3.四种基本相互作用。
微训练 (多选)关于核力,下列说法正确的是( )A.核力是一种特殊的万有引力B.原子核内只有质子和质子间有核力作用,而中子和中子之间、质子和中子之间则没有核力作用C.核力是原子核稳定存在的原因D.核力是一种短程力答案:CD
解析:核力与万有引力、库仑力的性质不同,核力是短程力,选项A错误,D正确;核力只存在于相邻的核子之间,质子间、中子间、质子和中子间都可以有核力作用,核力是原子核能稳定存在的原因,选项B错误,C正确。
二、结合能1.结合能。原子核是核子凭借 核力 结合在一起构成的,要把它们分开,也需要 能量 ,这就是原子核的结合能。 2.比结合能。原子核的结合能与 核子数 之比,叫作比结合能,也叫平均结合能。比结合能越大,原子核中核子结合得 越牢固 ,原子核越稳定。
微思考 氦原子核是由两个质子和两个中子凭借核力结合在一起的,要把它们分开,需要吸收能量;反过来,4个核子结合成氦原子核要放出能量。那么,把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系?提示:相等。原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开需要能量,这个能量与核子结合成原子核而释放的能量相等。
三、质量亏损1.质能方程。物体的能量与它们质量的关系: E=mc2 。 2.质量亏损。原子核的质量 小于 组成它的核子的质量之和的现象。
3.原子核的比结合能曲线。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 。
微判断 (1)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因。( )(2)结合能越大,核子结合得越牢固,原子越稳定。( )(3)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。( )(4)自由核子结合为原子核时,可能吸收能量。( )(5)质能方程E=mc2表明了质量与能量间的一种对应关系。( )
重难归纳1.核力的性质。(1)核力:原子核中的核子之间的相互作用力。(2)作用:使得核子紧密地结合在一起,形成稳定的原子核。(3)核力是四种相互作用中的强相互作用的一种表现。(4)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。
一 对核力与四种基本相互作用的理解
(5)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。(6)核力具有电荷无关性:核力与核子电荷无关。
2.四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”。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。(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)强相互作用:在原子核内,强相互作用将核子束缚在一起,强相互作用是短程力。
(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,其力程比强相互作用更短,为10-18 m,作用强度则比电磁力小。
下图为3H和3He的原子核结构示意图。(1)质子都带正电,质子与质子之间存在着库仑斥力,为什么3He还能稳定地存在?(2)自然界中存在的元素是有限的,为什么质子与中子不能随意地组合,从而形成无数不同的原子核?
提示:(1)因为质子之间除了存在库仑斥力还存在核力。(2)当核子增多时,原子核增大,核子间的距离也增大,形成的核不稳定,最终会瓦解。因此质子与中子不能随意地组合形成无数不同的原子核。
典例剖析关于核力,下列说法正确的是( )A.在原子核内,靠核力将所有核子束缚在一起B.在原子核内,只有质子和中子之间有核力C.在原子核内,任意两个核子之间都存在核力的作用D.核力和万有引力是同种性质的力答案:A
解析:在原子核内,靠核力将所有核子束缚在一起,选项A正确;质子和质子、质子和中子、中子和中子之间都存在核力,选项B错误;核力只在相邻的核子之间起作用,选项C错误;核力与万有引力不是同一种性质的力,选项D错误。规律总结 1.核力是强相互作用的一种表现,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有关。
学以致用(多选)对原子核的组成,下列说法正确的是( )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答案:CD
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,因为核力是短程力,质子之间还存在“长程力”——库仑力,选项A、B错误;自然界中存在只有一个质子的原子核,如 ,选项C正确;较大质量的原子核内只有存在一些中子,才能削弱库仑力,维系原子核的稳定,选项D正确。
重难归纳1.比结合能曲线。不同原子核的比结合能随质量数变化的图线如图所示。从图中可看出,中等质量原子核的比结合能最大,轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核的比结合能小。
二 比结合能与原子核的稳定程度
2.比结合能与原子核稳定程度的关系。(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。
下图为原子核的比结合能示意图。(1)随着质量数的增加,比结合能曲线整体上有什么变化规律?(2)比结合能的大小与原子核的稳定性有什么关系?
提示:(1)随着质量数的增加,比结合能曲线整体上先增大再减小,中等大小核的比结合能最大。(2)比结合能越大原子核越稳定。
典例剖析(多选)下列关于结合能和比结合能的说法正确的有( )A.核子结合成原子核时放出能量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答案:AB
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,选项A、B正确;比结合能越大的原子核越稳定,但比结合能大的原子核,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的大,但由于核子数比重核少,其结合能反而比重核小,选项C、D错误。
规律总结 1.核子结合成原子核时一定释放能量,原子核分开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.比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比结合能大。
学以致用(多选)原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线,下列判断正确的有( )
核能的计算方法——科学思维培养方法归纳1.对质能方程的理解。(1)质能方程E=mc2。①质能方程说明一定的质量总是跟一定的能量相联系的。具体地说,一定质量的物体所具有的总能量是一定的,这里所说的总能量,不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量,而是物体所具有的各种能量的总和。
②根据质能方程,物体的总能量与其质量成正比。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,这时质能方程也写作ΔE=Δmc2。
(2)质能方程的本质。①质量或能量是物质的属性之一,决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,方程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不等于这两个量可以相互转化。
2.对质量亏损的理解。(1)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。(2)质量亏损不是否定了质量守恒定律。根据爱因斯坦的相对论,辐射出的γ光子静质量虽然为零,但它有动质量,而且这个动质量刚好等于亏损的质量,所以质量守恒、能量守恒仍成立。
3.核能的计算。(1)根据质量亏损来计算。①根据核反应方程,计算核反应前和核反应后的质量亏损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。①明确原子质量单位u和电子伏特之间的关系。1 u=1.660 5×10-27 kg,1 eV=1.602 2×10-19 J②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/u。其中Δm的单位是u,ΔE的单位是MeV。
(3)根据能量守恒和动量守恒来计算核能。 参与核反应的粒子所组成的系统,在核反应过程中的动量和能量是守恒的,因此,利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化。(4)利用比结合能来计算核能。原子核的结合能=原子核的比结合能×核子数。核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差,就是该次核反应所释放(或吸收)的核能。
下图是原子核转变示意图。(1)在核反应过程中质量数、核电荷数是否守恒?(2)在该核反应过程中会释放出能量,反应前后原子核的质量是否会发生变化?提示:(1)在核反应过程中质量数与核电荷数守恒。(2)核反应过程中会发生质量亏损。
典例剖析1.1932年,考克饶夫和瓦尔顿用质子加速器进行人工核蜕变实验,验证了质能关系的正确性。在实验中,锂原子核俘获一个质子后成为不稳定的铍原子核,随后又蜕变为两个原子核,核
别为m1=1.007 28 u、m2=7.016 01 u、m3=4.001 51 u,光在真空中的传播速度为c,则在该核反应中( )A.质量亏损Δm=4.021 78 uB.释放的核能ΔE=(m1+m2-2m3)c2C.铍原子核内的中子数是5D.X表示的是氚原子核
2.已知1个质子的质量mp=1.007 277 u,1个中子的质量mn=1.008 665 u,氘核的质量为2.013 553 u,1 u的质量亏损所释放的能量为931.5 MeV,由此计算一个中子和一个质子结合成氘核时释放的核能。答案:2.23 MeV解析:中子和质子的质量和为M=mn+mp=1.008 665 u+1.007 277 u=2.015 942 u质量亏损Δm=2.015 942 u-2.013 553 u=0.002 389 u则一个中子和一个质子结合成氘核时所释放的核能ΔE=0.002 389×931.5 MeV=2.23 MeV。
规律方法 判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法 1.根据反应前后质量的变化情况进行判断,若质量减少即发生了质量亏损,则释放能量;若质量增加,则吸收能量。 2.根据动能变化判断,若不吸收光子而动能增加则放出能量。
形式释放出来,放出的α粒子的速度大小为多少?(已知1 u=1.66×10-27 kg,光速c=3×108 m/s)答案:9.71×10-13 J 1.69×107 m/s
解析:衰变后质量亏损为Δm=226.025 4 u-(222.016 3 u+4.002 6 u)=0.006 5 u放出的能量为ΔE=0.006 5×1.66×10-27×(3×108)2 J=9.71×10-13 J。
1.关于相互作用,下列说法正确的是( )A.地球对较近的月球有引力的作用,对遥远的火星则没有引力作用B.原子核中质子和中子能紧密地结合在一起,是因为它们之间存在弱相互作用C.电荷间的相互作用和磁体间的相互作用,本质上是同一种相互作用的不同表现D.强相互作用的作用范围比电磁相互作用的作用范围大答案:C
解析:根据万有引力定律,虽然地球和火星之间的距离较大,但是它们之间有引力作用,故选项A错误;原子核中质子和中子能紧密地结合在一起,是因为它们之间存在强相互作用,故选项B错误;电荷间的相互作用和磁体间的相互作用,本质上都是电磁相互作用,故选项C正确;强相互作用是短程力,它的作用范围比电磁相互作用的作用范围小得多,故选项D错误。
2.(多选)对于核力,以下说法正确的是( )A.核力是弱相互作用力,作用力很小B.核力是强相互作用的一种表现C.核子之间的距离小于0.8×10-15 m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起D.人们对核力的了解很清楚,特别是在小于0.8×10-15 m时核力的变化规律更清楚答案:BC
解析:核力是强相互作用的一种表现,它的作用范围约10-15 m,核力比库仑力大得多,选项B正确,A错误。核力在大于0.8×10-15 m时表现为引力,且随距离增大而减小;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,选项C正确。人们对核力的了解还不是很清楚,选项D错误。
3.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,中子数比质子数多C.原子核都是非常稳定的D.两个质子之间,不管距离如何,核力总是大于库仑力答案:B
解析:原子核中质子数和中子数不一定相等,特别是在原子序数大的重原子核中,中子数比质子数多,且原子序数大的和原子序数小的都没有中等质量的原子核稳定,故选项A、C错误,B正确;核力是短程力,作用范围在1.5×10-15 m内,超过此范围,核力急剧减小,会小于库仑力,故选项D错误。
4.核子结合成原子核或原子核分解为核子时,都伴随着巨大的能量变化,这是因为( )A.原子核带正电,电子带负电,电荷间存在很大的库仑力B.核子具有质量且相距很近,存在很大的万有引力C.核子间存在着强大的核力D.核子间存在着复杂的磁力答案:C
解析:核子之间存在核力作用,核子结合成原子核或原子核分解为核子时,都有核力作用,故伴随着巨大的能量变化,故选项C正确。
5.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,释放的能量为多少?答案:92.16 MeV
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