5.3　核力与核能 课件(共32张PPT)

(共32张PPT)
第五章　原子核与核能
核力与核能
知道核力的概念、特点和四种基本相互作用
理解结合能和比结合能的概念
认识原子核的质量亏损,并能应用质能方程进行相关的计算
重点
重难点
核力与四种基本相互作用
n
p
n
p
质子
中子
10-15m
猜想：万有引力？
原子核是由中子和质子构成的(如图)。在原子核那样狭小的空间里，是什么力量把带正电的质子紧紧地束缚在一起而不飞散开呢？
理论验证：
质子相互间距数量级是10-15m；质子质量数量级10-27kg；
质子电荷量数量级10-19C；
万有引力常量数量级10-11Nm2kg2；
静电力常量数量级109 Nm2C2。
结论：万有引力太小，只有静电力的10-35到10-36之间 。
计算：
质子之间存在着核力作用，核力把核子束缚在原子核内。
1.核力:把原子核中的 维系在一起的力（强相互作用，也叫强力）
强相互作用-核力
1质子+2中子→
←2质子+1中子
核子
2.特点：
(1)核力是____________（强力）的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多 。
(2)核力是________，约在10-15m 数量级时起作用。
(3)核力与电荷无关，核力与核子电荷无关。
(4)核力具有饱和性，每个核子只跟相邻的核子发生核力作用 。
强相互作用-核力
(5)核素:具有一定 和 的原子核称为核素
强相互作用
短程力
质子数
中子数
(4)核素图
稳定的核素几乎全落在一条曲线上,或__________
________,这个区域称为核素的稳定区。
①对于较轻的核,核素的稳定区与N=Z重合,说明N=Z的核素比较 。
②当N、Z增大到一定数值后,稳定区逐渐向N>Z的方向偏离。随着质子数的增加,稳定核素的中子数越来越 质子数。
紧靠曲线
的两侧
稳定
大于
弱相互作用
弱力是引起中子－质子转变（β衰变）的原因。
弱相互作用也是短程力，力程比强力（强相互作用）更短，为10-18m
作用强度则比强力小。
四种基本相互作用
强相互作用
四种相互作用按由强到弱排列： 作用、 相互作用、_______作用、 作用。
强相互
电磁
弱相互
引力相互
弱相互作用
引力相互作用
电磁相互作用
为什么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
质子之间除了核力外,还有正电荷之间的库仑斥力,而中子和质子之间只有核力,没有库仑斥力。质量数较大的原子核中,中子数较多,可以缓解质子之间的库仑斥力的影响,因此质量数越多、质子数相对较多的原子核中,就需要更多的中子来维持核的稳定,因此,在大而稳定的原子核中,中子数量多于质子。
(1)核力是短程力,作用范围很小,只在邻近核子间发生。(　　)
(2)原子核中,质子与质子间有核力,质子和中子间没有核力。(　　)
(3)在原子核中,质子数和中子数总是相等的。(　　)
(4)核外电子与原子核间的万有引力和库仑力大小相当。(　　)
√
×
×
×
结合能与平均结合能
宏观模型
相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，
运动速度越来越大，引力势能转化为动能最后撞在一起，
动能变成它们的内能散失掉了。
两个物体为了结合而付出了代价——失去了一些能量，
如果要把它们分开，还要重新赋予它们这份能量
1
2
要使电子电离，也就是要给予足够的能量使电子脱离原子，这个能量叫做氢原子的电离能
微观模型
微观模型
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。
γ为光子，能量ε≥27.386 MeV，反应才能发生
γ为光子，能量ε＝27.386 MeV
把核子分开需要的最小能量与核子结合放出的能量相等
分开氦原子核
核子结合成氦原子核
核子分开
吸收能量
核子结合
放出能量
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？
结合能
1.结合能
核子结合成原子核所 的能量称为原子核的结合能。
释放
2.比结合能
原子核的结合能与 之比，叫作比结合能，也叫作 结合能。比结合能越大，原子核中核子结合得越 ，原子核越 。
核子数
平均
牢固
稳定
(1)定义:原子核的结合能与其 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 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,核子越 。
(3)重核的平均结合能比中等质量核的要 ,轻核的平均结合能比稍重的核的要 。
质量数
稳定程度
稳定
小
小
平均结合能
质量亏损
(1) 任何一个原子核的质量总是 组成它的所有核子的质量之和,这一差值称为质量亏损。
(2)爱因斯坦质能方程与结合能的计算:
爱因斯坦质能方程E=mc2
核子结合成原子核时释放的结合能为ΔE= ,其中Δm为 。
小于
Δmc2
质量亏损
扩展：质量为m的物体，所蕴含的能量E＝______
mc2
质能方程
E = m c2
↓
能量
↓
质量
↓
光速
3.对质能方程E＝mc2的理解
(1)质能方程E＝mc2说明一定的质量总是跟一定的能量相联系。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，E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E＝mc2，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。
(3)根据质能方程ΔE＝Δmc2，核反应过程中发生的质量亏损，并不是消失了，减少的质量Δm在核子结合成原子核的过程中以能量的形式辐射出去了。反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给。
物理学家研究质子、中子和氘核之间的质量关系发现：
核反应质量亏损
氘核
→能量
中子
（mn）
质子
（mp）
原子核的比结合能随质量数的变化曲线（实验数据）
1.中等大小的核比结合能最大
2.中等大小的核平均每个核子的
质量亏损最大
3.中等大小的核最稳定
1.(2023·云南盐津县高二期末)下列关于结合能和比结合能的说法正确的是
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.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
C.重核与中等质量的原子核相比较,重核的结合能和比结合能都大
D.中等质量的原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大
√
2.(2023·北京市海淀区高二期末)原子核的比结合能(平均结合能)曲线如图所示,下列说法正确的是
A.H核的结合能约为1 MeV
B.Ba核比U的结合能更大
C.He核比Li核更稳定
D.两个H核结合成He核时吸收能量
√
3.(2023·福建泉州市高三统考)“玉兔二号”是我国研制的月面巡视探测器,若其上装核电池,将大大延长工作时间。核电池将Pu衰变释放的核能一部分转换成电能，Pu的衰变方程为PuU+X,已知Pu的质量为m1，U的质量为m2,X的质量为m3,真空中光速为c,则
A.衰变方程中的X为He
B.衰变方程中的X为中子
C.该衰变过程释放的核能为(m1+m2+m3)c2
D.该衰变过程释放的核能为(m1-m2-m3)c2
√
(1)写出铀核的衰变反应方程；
(2)算出该衰变反应中释放出的核能；
(3)若释放的核能全部转化为新核的动能，则α粒子的动能为多少？
(2)质量亏损Δm＝mU－mα－mTh＝0.005 9 u
ΔE＝0.005 9×931.5 MeV≈5.50 MeV
(3)衰变前后系统动量守恒，钍核和α粒子的动量大小相等、方向相反，即pTh＋(－pα)＝0
由题意知EkTh＋Ekα＝ΔE
所以α粒子获得的动能
核能的计算方法
1.根据核反应过程，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。
(1)若Δm的单位是千克，则需要将c＝3×108 m/s代入，计算得到的ΔE的单位为焦耳。
(2)若Δm的单位是原子质量单位u，则可用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算，即用质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV。(1 u相当于931.5 MeV)
3.在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能全部转化为生成的新核和新粒子的动能。
核力与结合能
目标一：核力与四种基本相互作用
比结合能（平均结合能）
=结合能÷核子数
强相互作用-核力
质能方程：
目标二：结合能
与平均结合能
弱相互作用
万有引力
电磁力
结合能：原子核分解成核子时所吸收的能量，也是核子结合成原子核而释放的能量。