鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第5章 第3节 核力与核能课件 27 张PPT

第3节　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m＝1.67×10－27 kg，万有引力常量为G＝6.67×10－11 N·m2/kg2，质子的带电荷量为e＝1.60×10－19 C，静电力常量为k＝9.0×109 N·m2/C2，试通过计算判断原子核内两个质子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
核子
(1)核力：把原子核中的 维系在一起的力。
(2)核力特点：①核力是 ；②核力是一种 。
(3)核素：具有一定 和 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 用一小方块表示，所得到的图像称为核素图。
短程力
强相互作用
质子数
中子数
核素
(5)核的稳定性
①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。
②稳定核素的中子数与质子数的关系：随着 的增加，稳定核素的中子数越来越 质子数。
2.四种基本相互作用
(1)长程力：长程力包括 和 。
(2)短程力：短程力包括 和 。
质子数
大于
引力相互作用
电磁相互作用
强相互作用
弱相互作用
[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。( )
×
×
√
知识点二　结合能与平均结合能
1.结合能
核子结合成 所 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 组成它的所有核子的质量之和，这一差值称为质量亏损。
(2)结合能的计算：由爱因斯坦质能方程E＝mc2可知，核子结合成原子核时释放的结合能为ΔE＝ 。
原子核
释放
小于
Δmc2
3.原子核的质量单位
(1)原子核的质量通常会用u表示，1 u＝1.660 5×10－27 kg。
(2)质量亏损1 u释放 的核能。
4.平均结合能
(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 ，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 ，轻核的平均结合能比稍重的核的要 。
931.5 MeV
质量数
稳定程度
越大
小
小
[思考判断]
(1)原子核的核子数越多，平均结合能越大。( )
(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。( )
×
×
×
[问题探究]
核心要点
核力与原子核的稳定性
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)形成原因
①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。
②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。
③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0.8×10－15 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0.8×10－15 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
[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)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。
核心要点
结合能的理解与核能的计算
[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
①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。
②Δm是核反应前与核反应后的质量之差。
(2)质能方程E＝mc2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。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
①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原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，ΔE＝Δm×931.5 MeV，其中Δm的单位为u，ΔE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
解析　反应前总质量：MN＋MHe＝18.011 40 u，
反应后总质量：MO＋MH＝18.012 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ΔE＝Δmc2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ΔE＝(18.012 69－18.011 40)×931.5 MeV≈1.2 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Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2，核能的单位为J。
(2)若以原子单位“u”为质量亏损Δm的单位，则ΔE＝Δm×931.5 MeV，核能的单位为MeV。
(3)两种单位的换算：1 MeV＝1×106×1.6×10－19 J＝1.6×10－13 J。
答案　D