2018—2019学年高中物理教科版选修3-5课件：第三章原子核3.4原子核的结合能:49张PPT
文档属性
| 名称 | 2018—2019学年高中物理教科版选修3-5课件：第三章原子核3.4原子核的结合能:49张PPT |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 784.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 教科版 | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2018-10-03 15:00:37 | ||
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文档简介
课件49张PPT。4
原子核的结合能一、原子核的结合能概念和结合能的计算
1.结合能概念:由___________结合成原子核的过程
中所释放出的能量。
2.质量亏损:原子核的_______都小于构成它的所有核
子单独存在时的_________,二者之差称为质量亏损。分散的核子静质量总静质量3.爱因斯坦的质能方程:物体的能量和质量之间存在
着密切的确定联系,即_____。物体质量发生变化时,
它的能量也按照这一关系式发生相应的变化,即
_________。E=mc2ΔE=Δmc2【想一想】有人认为质量亏损就是核子的个数变少了,这种认识对不对?
提示:不对。在核反应中质量数守恒即核子的个数不变,只是核子组成原子核时,仿佛变“轻”了一些,原子核的质量总是小于其全部核子质量之和,即发生了质量亏损,核子的个数并没有变化。二、比结合能曲线
1.从比结合能曲线可以看出:
(1)比结合能越大,核就越_____。_________是原子
核稳定程度的量度。
(2)曲线中间高两头低,说明中等质量的原子核比
结合能最大,_____________最稳定。稳定比结合能中等质量的核(3)质量较大的_____和质量较小的_____比结合能都
较小。
2.核聚变:两个轻核结合成较重的___________释放
出能量的过程叫核聚变。
3.核裂变:一个重核_____为两个(或多个)中等质量
的核时释放出_____的过程叫核裂变。重核轻核单个原子核分裂核能【判一判】
(1)比结合能越大,原子核中核子结合得越牢
固。 ( )
(2)比结合能也叫平均结合能。 ( )
(3)轻核聚变释放能量,重核裂变吸收能量。( )提示:(1)比结合能越大,要把原子核中的核子拆散开,需要克服核力做的功越多,核子结合得越牢固,(1)正确。
(2)比结合能也叫平均结合能,是一个概念的两种叫法,(2)正确。
(3)重核裂变也释放能量,(3)错。知识点一、原子核的结合能、比结合能
思考探究:如图所示,氘核吸收2.23MeV的能量就可以把原子核中的核子拆散为分散的质子和中子,那么:
如果把分散的核子结合成原子核会不会释放出能量呢?如果会,所释放的能量又有多少呢?【归纳总结】
1.原子核的结合能:
组成原子核的核子间存在着强大的核力,核力使原子核成为一个坚固的集合体。如果将原子核中的核子拆散为分散的质子和中子,就得克服核力而做巨大的功。若要把分散的核子结合成一个原子核,就会放出巨大的能量。由分散的核子结合成原子核的过程中所释放出的能量称为原子核的结合能。2.比结合能:
原子核越大,它的结合能越高,因此有意义的是它的结合能与核子数之比,称作比结合能。比结合能越大,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。【特别提醒】
中等大小的原子核的比结合能最大,这些核最稳定。使较重的核分裂成中等大小的核,或者把较小的核合并成中等大小的核,核子的比结合能都会增加,都要释放能量。【典例】下面关于结合能和比结合能的说法中,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.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.重核与中等质量原子核相比较,重核的结合能和比结合能都大
D.中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大【思路点拨】解答此类问题时应掌握以下两点:
(1)要正确理解结合能和比结合能两个概念,比结合能和核子数的乘积就是结合能。
(2)中等质量原子核的比结合能大于重核、轻核的比结合能,但结合能的大小由比结合能与原子核内核子数的乘积来决定。【正确解答】选D。核子结合成原子核放出能量,原子核拆解成核子吸收能量,A选项错;比结合能越大的原子核越稳定,但比结合能越大的原子核,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大,但由于核子数比重核少,其结合能比重核反而小,B、C选项错;中等质量原子核的比结合能比轻核的大,原子核内核子数又比轻核多,因此它的结合能也比轻核大,D选项正确。【过关训练】
对结合能、比结合能的认识,下列说法正确的
是 ( )
A.一切原子核均具有结合能
B.自由核子结合为原子核时,可能吸收能量
C.结合能越大的原子核越稳定
D.比结合能越大的原子核越稳定【解析】选D。氢原子核只有一个质子,无结合能,结合能并不是原子核所具有的能量,故A错;自由核子结合为原子核时,放出能量,故B错;比结合能越大的原子核越稳定,故C错,D正确。【补偿训练】
如图是比结合能曲线,根据比结合能曲线思考下面的问题:两个氘核发生如下的核反应:
在反应的过程中是放出能量还是吸收能量?为什么?【解析】由比结合能曲线可知2个 的比结合能为
2MeV,而一个 的比结合能为7.0MeV,即2个
结合成一个 时能够放出5MeV的能量.知识点二、原子核结合能的计算
思考探究:
根据爱因斯坦提出的质能关系式,可知物体的能量和质量之间存在着密切的确定关系,请思考下列问题:
(1)什么是质量亏损现象?
(2)在核反应中如何利用质能关系式研究能量和质量的关系呢?【归纳总结】
1.质能方程E=mc2:
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E=mc2,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。由于c2这个数值十分巨大,因而物体的能量是十分可观的。2.质量亏损:
实验表明,原子核的静质量都小于构成它的所有核子单独存在时的总静质量。通常把核反应中的质量减少称为质量亏损。
3.核反应中由于质量亏损而释放的能量ΔE=Δmc2:
从爱因斯坦质能方程同样可以得出,物体的能量变化ΔE与物体的质量变化Δm的关系:ΔE=Δmc2。【特别提醒】
(1)物体的质量包括静止质量和运动质量,质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量,只是静止质量的减少。减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量,在核反应中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律。
(2)质量亏损也不是核子个数的减少,核反应中核子个数是不变的。【典例探究】
【典例】一个锂核( )受到一个质子的轰击,变成两
个α粒子。已知质子的质量是1.673 6×10-27kg,锂核
的质量是11.650 5×10-27kg,氦核的质量是6.646 6
×10-27kg。
(1)写出上述核反应的方程。
(2)计算上述核反应释放出的能量。(保留3位有效数字)【思路点拨】解答本题时应把握以下三点:
(1)写核反应方程时,要注意元素符号和两个守恒。
(2)用反应物的质量减去生成物的质量等于质量亏损。
(3)根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算释放的核能。【正确解答】(1)
(2)核反应的质量亏损
Δm=mLi+mp-2mα
=(11.650 5×10-27+1.673 6×10-27-2×6.646 6×
10-27)kg=3.09×10-29kg。
释放的能量
ΔE=Δmc2=3.09×10-29×(3×108)2J=2.78×10-12J答案:(1)
(2)2.78×10-12J【总结提升】应用质能方程时应注意的三个问题
(1)要明确题目中已知量的单位,只有Δm和c取国际单位,得到的E才是国际单位。
(2)计算质量亏损Δm时,正确书写核反应方程是关键,特别是某个核子或原子核前系数不是“1”的情况。
(3)此类题目运算量比较大,一定要细心演算,有时需要保留几位有效数字。【过关训练】
1.(多选)(2016·全国卷Ⅲ)一静止的铝原子核
俘获一速度为1.0×107m/s的质子p后,变为处于激发
态的硅原子核 Si*,下列说法正确的是 ( )A.核反应方程为p+ → Si*
B.核反应过程中系统动量守恒
C.核反应过程中系统能量不守恒
D.核反应前后核子数相等,所以生成物的质量等于反应物的质量之和
E.硅原子核速度的数量级为105m/s,方向与质子初速度方向一致【解析】选A、B、E。根据质量数和电荷数守恒可得
核反应方程p+ → Si*,A正确;核反应过程中的核
力远远大于外力,故系统动量守恒,B正确;核反应过程
中系统能量守恒,C错误;由于反应过程中,要释放大量
的能量,即伴随着质量亏损,所以生成物的质量小于反
应物的质量之和,D错误;由动量守恒可知mv=28mv′,
解得v′= ×107m/s,故数量级为105m/s,E正确。2.(2015·江苏高考)取质子的质量mp=1.672 6×
10-27kg,中子的质量mn=1.674 9×10-27kg,α粒子的质量mα=6.646 7×10-27kg,光速c=3.0×108m/s。请计算α粒子的结合能。(计算结果保留两位有效数字)【解析】α粒子由两个质子和两个中子组成,根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,可求:ΔE=(2mp+2mn-mα)c2
=4.3×10-12J。
答案:4.3×10-12J【温馨提示】
质能方程说明,一定质量的物体所具有的总能量是一定的,等于光速的平方与其质量之积。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。因此,核反应问题往往和能量守恒定律结合起来考查。【拓展例题】考查内容:能量守恒定律在核反应中的应用
中子n、质子p、氘核D的质量分别为mn、mp、mD,现用能量为E的γ射线照射静止氘核使之分解,反应的方程为:γ+D=p+n.若分解后中子、质子的动能可视为相等,则中子的动能是____________.【思路点拨】能量E一部分被氘核吸收,另一部分转化为中子、质子的动能.【正确解答】已知质子和中子结合成氘核时,会放出能量ΔE=(mp+mn-mD)c2,反过来,将氘核分解成中子和质子需吸收同样多的能量ΔE.在光子的照射下,光子的能量中,有一部分(等于ΔE)会被氘核吸收用于分解,剩下的能量才转变成中子和质子的动能2Ek,因此有2Ek=E-(mp+mn-mD)c2,然后便可求出中子的动能Ek.
答案: [(mD-mp-mn)c2+E]核反应中核能计算的基本方法
(1)根据质量亏损计算,步骤如下:
①根据核反应方程,计算核反应前后的质量亏损Δm;
②根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算。
计算过程中Δm的单位是kg,c的单位是m/s,ΔE的单位是J。(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和电子伏特间的关系
1u=1.6605×10-27kg,1eV=1.6×10-19J。
由ΔE=Δmc2,得
ΔE= ②根据1原子质量单位(u)相当于931.5MeV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931.5MeV,即ΔE=Δm×931.5MeV.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,在题设条件中如果没有涉及质量亏损,或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下,利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化。【案例展示】 H的质量是3.016 050u,质子的质量是1.007 277u,中子的质量是1.008665u。则:
(1)一个质子和两个中子结合为氚核时,是吸收还是放出能量?该能量为多少?
(2)氚核的结合能和比结合能各是多少?【正确解答】(1)一个质子和两个中子结合成氚核的
核反应方程式是 H+ n→ H,反应前各核子总质量为
mp+2mn=1.007277u+2×1.008 665u
=3.024 607u反应后新核的质量为mH=3.016050u
质量亏损为Δm=3.024 607u-3.016 050u
=0.008 557u
因反应前的总质量大于反应后的总质量,故此核反应为放出能量的反应。
释放的核能为ΔE=0.008 557×931.5MeV
=7.97MeV(2)氚核的结合能即为ΔE=7.97MeV
它的比结合能为 =2.66MeV
答案:(1)放出能量7.97MeV (2)7.97MeV
2.66MeV【易错分析】本题易错角度及错误原因分析如下:
原子核的结合能一、原子核的结合能概念和结合能的计算
1.结合能概念:由___________结合成原子核的过程
中所释放出的能量。
2.质量亏损:原子核的_______都小于构成它的所有核
子单独存在时的_________,二者之差称为质量亏损。分散的核子静质量总静质量3.爱因斯坦的质能方程:物体的能量和质量之间存在
着密切的确定联系,即_____。物体质量发生变化时,
它的能量也按照这一关系式发生相应的变化,即
_________。E=mc2ΔE=Δmc2【想一想】有人认为质量亏损就是核子的个数变少了,这种认识对不对?
提示:不对。在核反应中质量数守恒即核子的个数不变,只是核子组成原子核时,仿佛变“轻”了一些,原子核的质量总是小于其全部核子质量之和,即发生了质量亏损,核子的个数并没有变化。二、比结合能曲线
1.从比结合能曲线可以看出:
(1)比结合能越大,核就越_____。_________是原子
核稳定程度的量度。
(2)曲线中间高两头低,说明中等质量的原子核比
结合能最大,_____________最稳定。稳定比结合能中等质量的核(3)质量较大的_____和质量较小的_____比结合能都
较小。
2.核聚变:两个轻核结合成较重的___________释放
出能量的过程叫核聚变。
3.核裂变:一个重核_____为两个(或多个)中等质量
的核时释放出_____的过程叫核裂变。重核轻核单个原子核分裂核能【判一判】
(1)比结合能越大,原子核中核子结合得越牢
固。 ( )
(2)比结合能也叫平均结合能。 ( )
(3)轻核聚变释放能量,重核裂变吸收能量。( )提示:(1)比结合能越大,要把原子核中的核子拆散开,需要克服核力做的功越多,核子结合得越牢固,(1)正确。
(2)比结合能也叫平均结合能,是一个概念的两种叫法,(2)正确。
(3)重核裂变也释放能量,(3)错。知识点一、原子核的结合能、比结合能
思考探究:如图所示,氘核吸收2.23MeV的能量就可以把原子核中的核子拆散为分散的质子和中子,那么:
如果把分散的核子结合成原子核会不会释放出能量呢?如果会,所释放的能量又有多少呢?【归纳总结】
1.原子核的结合能:
组成原子核的核子间存在着强大的核力,核力使原子核成为一个坚固的集合体。如果将原子核中的核子拆散为分散的质子和中子,就得克服核力而做巨大的功。若要把分散的核子结合成一个原子核,就会放出巨大的能量。由分散的核子结合成原子核的过程中所释放出的能量称为原子核的结合能。2.比结合能:
原子核越大,它的结合能越高,因此有意义的是它的结合能与核子数之比,称作比结合能。比结合能越大,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。【特别提醒】
中等大小的原子核的比结合能最大,这些核最稳定。使较重的核分裂成中等大小的核,或者把较小的核合并成中等大小的核,核子的比结合能都会增加,都要释放能量。【典例】下面关于结合能和比结合能的说法中,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.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.重核与中等质量原子核相比较,重核的结合能和比结合能都大
D.中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大【思路点拨】解答此类问题时应掌握以下两点:
(1)要正确理解结合能和比结合能两个概念,比结合能和核子数的乘积就是结合能。
(2)中等质量原子核的比结合能大于重核、轻核的比结合能,但结合能的大小由比结合能与原子核内核子数的乘积来决定。【正确解答】选D。核子结合成原子核放出能量,原子核拆解成核子吸收能量,A选项错;比结合能越大的原子核越稳定,但比结合能越大的原子核,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大,但由于核子数比重核少,其结合能比重核反而小,B、C选项错;中等质量原子核的比结合能比轻核的大,原子核内核子数又比轻核多,因此它的结合能也比轻核大,D选项正确。【过关训练】
对结合能、比结合能的认识,下列说法正确的
是 ( )
A.一切原子核均具有结合能
B.自由核子结合为原子核时,可能吸收能量
C.结合能越大的原子核越稳定
D.比结合能越大的原子核越稳定【解析】选D。氢原子核只有一个质子,无结合能,结合能并不是原子核所具有的能量,故A错;自由核子结合为原子核时,放出能量,故B错;比结合能越大的原子核越稳定,故C错,D正确。【补偿训练】
如图是比结合能曲线,根据比结合能曲线思考下面的问题:两个氘核发生如下的核反应:
在反应的过程中是放出能量还是吸收能量?为什么?【解析】由比结合能曲线可知2个 的比结合能为
2MeV,而一个 的比结合能为7.0MeV,即2个
结合成一个 时能够放出5MeV的能量.知识点二、原子核结合能的计算
思考探究:
根据爱因斯坦提出的质能关系式,可知物体的能量和质量之间存在着密切的确定关系,请思考下列问题:
(1)什么是质量亏损现象?
(2)在核反应中如何利用质能关系式研究能量和质量的关系呢?【归纳总结】
1.质能方程E=mc2:
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E=mc2,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。由于c2这个数值十分巨大,因而物体的能量是十分可观的。2.质量亏损:
实验表明,原子核的静质量都小于构成它的所有核子单独存在时的总静质量。通常把核反应中的质量减少称为质量亏损。
3.核反应中由于质量亏损而释放的能量ΔE=Δmc2:
从爱因斯坦质能方程同样可以得出,物体的能量变化ΔE与物体的质量变化Δm的关系:ΔE=Δmc2。【特别提醒】
(1)物体的质量包括静止质量和运动质量,质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量,只是静止质量的减少。减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量,在核反应中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律。
(2)质量亏损也不是核子个数的减少,核反应中核子个数是不变的。【典例探究】
【典例】一个锂核( )受到一个质子的轰击,变成两
个α粒子。已知质子的质量是1.673 6×10-27kg,锂核
的质量是11.650 5×10-27kg,氦核的质量是6.646 6
×10-27kg。
(1)写出上述核反应的方程。
(2)计算上述核反应释放出的能量。(保留3位有效数字)【思路点拨】解答本题时应把握以下三点:
(1)写核反应方程时,要注意元素符号和两个守恒。
(2)用反应物的质量减去生成物的质量等于质量亏损。
(3)根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算释放的核能。【正确解答】(1)
(2)核反应的质量亏损
Δm=mLi+mp-2mα
=(11.650 5×10-27+1.673 6×10-27-2×6.646 6×
10-27)kg=3.09×10-29kg。
释放的能量
ΔE=Δmc2=3.09×10-29×(3×108)2J=2.78×10-12J答案:(1)
(2)2.78×10-12J【总结提升】应用质能方程时应注意的三个问题
(1)要明确题目中已知量的单位,只有Δm和c取国际单位,得到的E才是国际单位。
(2)计算质量亏损Δm时,正确书写核反应方程是关键,特别是某个核子或原子核前系数不是“1”的情况。
(3)此类题目运算量比较大,一定要细心演算,有时需要保留几位有效数字。【过关训练】
1.(多选)(2016·全国卷Ⅲ)一静止的铝原子核
俘获一速度为1.0×107m/s的质子p后,变为处于激发
态的硅原子核 Si*,下列说法正确的是 ( )A.核反应方程为p+ → Si*
B.核反应过程中系统动量守恒
C.核反应过程中系统能量不守恒
D.核反应前后核子数相等,所以生成物的质量等于反应物的质量之和
E.硅原子核速度的数量级为105m/s,方向与质子初速度方向一致【解析】选A、B、E。根据质量数和电荷数守恒可得
核反应方程p+ → Si*,A正确;核反应过程中的核
力远远大于外力,故系统动量守恒,B正确;核反应过程
中系统能量守恒,C错误;由于反应过程中,要释放大量
的能量,即伴随着质量亏损,所以生成物的质量小于反
应物的质量之和,D错误;由动量守恒可知mv=28mv′,
解得v′= ×107m/s,故数量级为105m/s,E正确。2.(2015·江苏高考)取质子的质量mp=1.672 6×
10-27kg,中子的质量mn=1.674 9×10-27kg,α粒子的质量mα=6.646 7×10-27kg,光速c=3.0×108m/s。请计算α粒子的结合能。(计算结果保留两位有效数字)【解析】α粒子由两个质子和两个中子组成,根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,可求:ΔE=(2mp+2mn-mα)c2
=4.3×10-12J。
答案:4.3×10-12J【温馨提示】
质能方程说明,一定质量的物体所具有的总能量是一定的,等于光速的平方与其质量之积。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。因此,核反应问题往往和能量守恒定律结合起来考查。【拓展例题】考查内容:能量守恒定律在核反应中的应用
中子n、质子p、氘核D的质量分别为mn、mp、mD,现用能量为E的γ射线照射静止氘核使之分解,反应的方程为:γ+D=p+n.若分解后中子、质子的动能可视为相等,则中子的动能是____________.【思路点拨】能量E一部分被氘核吸收,另一部分转化为中子、质子的动能.【正确解答】已知质子和中子结合成氘核时,会放出能量ΔE=(mp+mn-mD)c2,反过来,将氘核分解成中子和质子需吸收同样多的能量ΔE.在光子的照射下,光子的能量中,有一部分(等于ΔE)会被氘核吸收用于分解,剩下的能量才转变成中子和质子的动能2Ek,因此有2Ek=E-(mp+mn-mD)c2,然后便可求出中子的动能Ek.
答案: [(mD-mp-mn)c2+E]核反应中核能计算的基本方法
(1)根据质量亏损计算,步骤如下:
①根据核反应方程,计算核反应前后的质量亏损Δm;
②根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算。
计算过程中Δm的单位是kg,c的单位是m/s,ΔE的单位是J。(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和电子伏特间的关系
1u=1.6605×10-27kg,1eV=1.6×10-19J。
由ΔE=Δmc2,得
ΔE= ②根据1原子质量单位(u)相当于931.5MeV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931.5MeV,即ΔE=Δm×931.5MeV.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,在题设条件中如果没有涉及质量亏损,或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下,利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化。【案例展示】 H的质量是3.016 050u,质子的质量是1.007 277u,中子的质量是1.008665u。则:
(1)一个质子和两个中子结合为氚核时,是吸收还是放出能量?该能量为多少?
(2)氚核的结合能和比结合能各是多少?【正确解答】(1)一个质子和两个中子结合成氚核的
核反应方程式是 H+ n→ H,反应前各核子总质量为
mp+2mn=1.007277u+2×1.008 665u
=3.024 607u反应后新核的质量为mH=3.016050u
质量亏损为Δm=3.024 607u-3.016 050u
=0.008 557u
因反应前的总质量大于反应后的总质量,故此核反应为放出能量的反应。
释放的核能为ΔE=0.008 557×931.5MeV
=7.97MeV(2)氚核的结合能即为ΔE=7.97MeV
它的比结合能为 =2.66MeV
答案:(1)放出能量7.97MeV (2)7.97MeV
2.66MeV【易错分析】本题易错角度及错误原因分析如下: