1、第第 3 3 节节 核力与核能核力与核能 核心素养 物理观念 科学思维 1.知道核力的概念、特点。 2.知道四种基本相互作用。 3.理解结合能和平均结合能的概念，知道核反 应中的质量亏损。 4.知道爱因斯坦质能方程，理解质量与能量的 关系。 理解并能解释稳定 原子核中质子与中 子的比例特点。 知识点一 核力与核的稳定性、四种基本相互作用 观图助学 如图为原子的结构示意图，已知质子的质量为 m1.6710 27 kg，万有引力常 量为 G6.6710 11 N m2/kg2，质子的带电荷量为 e1.601019 C，静电力常 量为 k9.0109 N m2/C2， 试通过计算判断原子核内两个质子
2、相对静止是库仑力 与万有引力平衡吗？ 1.核力与核的稳定性 (1)核力：把原子核中的核子维系在一起的力。 (2)核力特点：核力是短程力；核力是一种强相互作用。 (3)核素：具有一定质子数和中子数的原子核称为核素。 (4)核素图：用横坐标表示质子数，纵坐标表示中子数，每一种核素用一小方块 表示，所得到的图像称为核素图。 (5)核的稳定性 核素的稳定区：几乎全落在一条曲线上，或紧靠曲线两侧的区域。 稳定核素的中子数与质子数的关系：随着质子数的增加，稳定核素的中子数越 来越大于质子数。 2.四种基本相互作用 (1)长程力：长程力包括引力相互作用和电磁相互作用。 (2)短程力：短程力包括强相互作用和弱
3、相互作用。 思考判断 (1)原子核中的质子是靠自身的万有引力聚在一起的。() (2)稳定原子核的质子数总是与中子数相等。() (3)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。() 简单通过数量级的计算就可知道质子间的库仑斥力远远大于两者间的万有引力。 合力的作用范围在 1.510 15 m 之内，超过 1.51015 m 时，核力急剧下降几乎 消失。 核素图 知识点二 结合能与平均结合能 1.结合能 核子结合成原子核所释放的能量称为原子核的结合能。 2.质量亏损 (1)质量亏损：任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和， 这一差值称为质量亏损。 (2
4、)结合能的计算：由爱因斯坦质能方程 Emc2可知，核子结合成原子核时释放 的结合能为 Emc2。 3.原子核的质量单位 (1)原子核的质量通常会用 u 表示，1 u1.660 510 27 kg。 (2)质量亏损 1 u 释放 931.5_MeV 的核能。 4.平均结合能 (1)定义：原子核的结合能与其质量数之比称为该核的平均结合能，又称为比结 合能。 (2)意义：平均结合能反映了原子核结合的稳定程度或分裂的难易程度。平均结 合能越大，原子核越难分离成单个核子，原子核越稳定。 (3)重核的平均结合能比中等质量核的要小，轻核的平均结合能比稍重的核的要 小。 思考判断 (1)原子核的核子数越多，平
5、均结合能越大。() (2)质量亏损是因为这部分质量转化为能量。() (3)结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定。() 原子核的结合能也可以理解为将原子核分解成自由核子时需要吸收的能量， 结合 能并不是原子核具有的能量。 质量亏损不是质量消失，也不是质量转化为了能量，质量和能量是对应关系。 原子核越大，结合能就越大，但是平均结合能不一定大。 不同原子核的平均结合能曲线 核心要点 核力与原子核的稳定性 问题探究 如图为31H 和32He 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32He 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
6、不能随意地组合从而形成 无数不同的原子核？ 答案 (1)核子之间还存在着核力作用。 (2)当核子增多时，原子核增大，核子间的距离也增大，当距离较大时，一些核 子间可能就没有核力的作用了，这样形成的核不稳定，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。 探究归纳 1.核力的特点 (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，核子只与相邻的少数核子有较强的引力，而不是与核内所有 核子发生作用。 2.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
7、成原因 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。 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，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。 由于核力的作用范围是有限的，若持续增大原子核，一些核子间的距离会大于 核力的作用范围，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。 经典示例 例 1 下列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
8、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，如果继续增大原子核，形 成的核也一定是不稳定的 解析 自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，对于较重的原子核， 中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多。因此正确答案为 D。 答案 D 针对训练 1 核子结合成原子核的下列说法中，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.当 n 个核子靠近到核力作用的范围而结合为原子核时，其间势能一定增加 D.质子数较多的原子核，其中的中子起到增加核力、维系原子核稳定的作用 解析 由于核力为短
9、程力，只会发生在相邻核子之间，与核子是否带电无关，由 此知 A、B 错误；当 n 个核子靠近到核力作用范围内，而距离大于 0.810 15 m 时，核力表现为引力，在此过程中核力必做正功，其间势能必定减小，形成原子 核后距离一般不小于 0.810 15 m，故 C 错误；质子数较多的原子核由于只有相 邻的核子间才有核力，但各个质子间均有很强的库仑斥力，随着质子数的增加， 其库仑力增加，对于稳定的原子核，必须存在较多的中子才能维系二者的平衡， 故 D 正确。 答案 D 核心要点 结合能的理解与核能的计算 问题探究 如图所示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
10、)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？ 答案 (1)在核反应中，质量数、核电荷数是守恒的。 (2)会发生变化，是减少的。 探究归纳 1.对平均结合能的理解 (1)平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。 (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，中等质量的 核平均结合能最大、最稳定。 (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，就要释放核 能。 2.质量亏损、质能方程及核能的计算 (1)质量亏损的理解 研究证明，在核反应中，反应前后原子核的总质量并不相等。例如，氘核的质 量比一个中子和一个质子的质量之和要小
11、一些，这种现象叫作质量亏损。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。 m 是核反应前与核反应后的质量之差。 (2)质能方程 Emc2的理解 爱因斯坦指出，物体的能量(E)和质量(m)之间存在着密切的关系，即 Emc2，式 中 c 为真空中的光速。爱因斯坦质能方程表明：物体所具有的能量跟它的质量成 正比。这里所说的能量，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。 (3)核能的计算 根据爱因斯坦质能方程 Emc2计算核能。其中 m 的单位是千克，E 的 单位是焦耳。 利用原子质量单位 u 和电子伏特计算。 1 原子质
12、量单位(u)相当于 931.5 MeV 的 能量，Em931.5 MeV，其中 m 的单位为 u，E 的单位为 MeV。 经典示例 例 2 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较大 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 解析 核子结合成原子核会放出能量，原子核拆解成核子需要吸收能量，A 选项 错误；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
13、中等质量原子核的平均结合能比重核的大，但由于核子数比重核 的少，其结合能比重核的反而小，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的多， 因此它的结合能也比轻核大， D 选项正确。 答案 D 例 3 已知氮核质量 MN14.007 53 u，氧 17 核的质量 MO17.004 54 u，氦核质 量 MHe4.003 87 u，氢核质量 MH1.008 15 u，试判断：14 7N42He17 8O11H 这 一核反应是吸收能量还是放出能量？能量变化量是多少？ 解析 反应前总质量：MNMHe18.011 40 u， 反应后总质量：MOMH18.012
14、 69 u。 可以看出：反应后总质量增加，故该反应是吸收能量的反应。 吸收的能量利用 Emc2来计算，若反应过程中质量增加 1 u，就会吸收 931.5 MeV 的能量，故 E(18.012 6918.011 40)931.5 MeV1.2 MeV。 答案 吸收能量 1.2 MeV 规律总结 核能的两种单位换算技巧 (1)若以 kg 为质量亏损 m 的单位，则计算时应用公式 Emc2，核能的单位 为 J。 (2)若以原子单位“u”为质量亏损 m 的单位，则 Em931.5 MeV，核能的单 位为 MeV。 (3)两种单位的换算：1 MeV11061.610 19 J1.61013 J。 针对训
15、练 2 一个氘核21H 质量为 m1， 一个氚核31H 质量为 m2， 它们结合成一个质 量为 m3的氦核。核反应方程如下：21H31H42HeX。在这一核反应过程中释放 的能量为 E。已知真空中光速为 c，则以下判断正确的是( ) A.X 是质子 B.X 是正电子 C.X 的质量为 m1m2m3 D.X 的质量为 m1m2m3E c2 解析 由电荷数守恒知，X 的质子数为 0，由质量数守恒知，X 的质量数为 1， 故 X 为中子，设 X 的质量为 m，反应中的质量亏损 mm1m2m3m，释放 的能量 Emc2(m1m2m3m)c2，则 X 的质量为 m1m2m3E c2 ，故选 项 D 正确
16、。 答案 D 1.(核力的特点)(多选)关于核力，下列说法中正确的是( ) 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.核力是一种短程强力作用 解析 核力与万有引力、库仑力的性质不同，核力是短程力，作用范围在 1.5 10 15 m 的区域内，原子核的半径数量级在 1015 m，所以核力只存在于相邻的核 子之间，核力是原子核稳定存在的原因，故选 C、D。 答案 CD 2.(对结合能和比结合能的理解)(多选)关于原子核的结合能，下列说法正确的是 ( ) A.原子核的结合能等于使其完全分
17、解成自由核子所需的最小能量 B.一重原子核衰变成粒子和另一原子核， 衰变产物的结合能之和一定大于原来 重核的结合能 C.铯原子核(133 55Cs)的结合能小于铅原子核(208 82Pb)的结合能 D.比结合能越大，原子核越不稳定 解析 结合能是把核子分开所需的最小能量，选项 A 正确；一重原子核衰变成 粒子和另一原子核，存在质量亏损，核子比结合能增大，衰变产物的结合能之和 一定大于原来重核的结合能，选项 B 正确；核子数越多，结合能越大，选项 C 正确；比结合能也叫平均结合能，比结合能越大，分开核子所需的能量越大，原 子核越稳定，选项 D 错误。 答案 ABC 3.(Emc2的理解)为纪念爱
18、因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将 2005 年定 为“国际物理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程 Emc2，下列说法中不正确 的是( ) A.Emc2表明物体具有的能量与其质量成正比 B.根据 Emc2可以计算核反应中释放的核能 C.一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏 损 D.Emc2中的 E 是发生核反应时释放的核能 解析 爱因斯坦质能方程 Emc2， 定量地指出了物体的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， 则物体的能量增加， 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 4.(核能的计算)一个 粒子轰击硼(11 5B)核变成碳 14 和一个未知粒子，并放出 7.5105 eV 的能量，写出核反应方程并求出反应过程中的质量亏损。 解析 根据质量数守恒和核电荷数守恒可得 4 2He11 5B14 6C11H E7.51051.610 19 J1.21013 J。 由 Emc2可得 mE c2 1.310 30 kg。 答案 4 2He11 5B14 6C11H 1.310 30 kg
