2017-2018學(xué)年高中物理第4章核能1核力與核能學(xué)案魯科版選修3-5

1、第 1 節(jié)核力與核能目標(biāo)定位1.知道核力的概念、特點(diǎn).2.知道穩(wěn)定原子核中質(zhì)子與中子的比例特點(diǎn)3 理解結(jié)合能和平均結(jié)合能的概念，知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損4 知道愛因斯坦質(zhì)能方程，理解質(zhì)量與能量的關(guān)系.預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)丨梳理識記點(diǎn)拔一、 核力與核的穩(wěn)定性1.核力：把原子核中的核子維系在一起的力.2.核力特點(diǎn)：(1)核力是一種強(qiáng)相互作用.(2)核力是短程力，作用范圍在 2_fm 左右.3核素：具有一定數(shù)目質(zhì)子和一定數(shù)目中子的一種原子.4核素圖：用橫坐標(biāo)表示質(zhì)子數(shù)，縱坐標(biāo)表示中子數(shù)，每一種核素用一小方塊表示，所得 到的圖象.5.核的穩(wěn)定性(1) 核素的穩(wěn)定區(qū)：幾乎全落在一條曲線上，或緊靠曲線兩側(cè)的區(qū)域.(2)

2、 穩(wěn)定核素的中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)的關(guān)系：隨著質(zhì)子數(shù)的增加，穩(wěn)定核素的中子數(shù)越來越大于 _質(zhì)子數(shù).二、 結(jié)合能與平均結(jié)合能1結(jié)合能：核子結(jié)合成原子核時放出的能量.2.質(zhì)量虧損(1) 愛因斯坦質(zhì)能方程E=mC.(2) 質(zhì)量虧損： 任何一個原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和， 這一差值稱 為質(zhì)量虧損.虧損的質(zhì)量與釋放的能量間的關(guān)系：E=AmC.想一想有人認(rèn)為質(zhì)量虧損就是核子的個數(shù)變少了，這種認(rèn)識對不對？ 答案 不對.在核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒即核子的個數(shù)不變，只是核子組成原子核時，仿佛變“輕”了一些，原子核的質(zhì)量總是小于其全部核子質(zhì)量之和，即發(fā)生了質(zhì)量虧損， 核子的個數(shù)并沒有變化.3.平均結(jié)合能核子

3、結(jié)合成原子核時每個核子平均放出的能量.平均結(jié)合能越大，原子核越難分離成單個核子.理輛深化探穽1 核力的特點(diǎn)：核力是只在鄰近的核子之間發(fā)生的一種強(qiáng)相互作用，是短程力.2核子比例關(guān)系：較輕的原子核質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對于較重的原子核中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多.猱堂互動丨一、對核力及原子核中質(zhì)子與中子的比例的理解23形成原因(1) 若用質(zhì)子與中子成對地人工構(gòu)建原子核，由于核力是短程力，當(dāng)原子核增大到一定程度 時，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個原子核就不穩(wěn)定了.(2) 若只增加中子，中子與其他核子間沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)

4、定，所以穩(wěn)定的重原子核中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多.(3) 由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，若再增大原子核，一些核子間的距離會大于核力的作用范圍，這時候再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的.【例 1 下列關(guān)于原子核中質(zhì)子和中子的說法，正確的是()A. 原子核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)一定相等B. 穩(wěn)定的重原子核里，質(zhì)子數(shù)比中子數(shù)多C. 原子核都是非常穩(wěn)定的D. 對于較重的原子核，由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，如果繼續(xù)增大原子核，形成的核也一定是不穩(wěn)定的答案 D解析 自然界中較輕的原子核， 質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等， 對于較重的原子核，中子數(shù)大于 質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多因此正確

5、答案為D.二、結(jié)合能與平均結(jié)合能的理解1 平均結(jié)合能曲線：不同原子核的平均結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化的圖線如圖1 所示.從圖中可看出，中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能較大，輕核和重核的平均結(jié)合能都比中等質(zhì)量的原子核要小.2.當(dāng)平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化為平均結(jié)合能較大的原子核時會釋放核能，反之，需要 吸收能量.3平均結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定程度平均結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合 得越牢固，原子核越穩(wěn)定，中等核子數(shù)的原子核平均結(jié)合能較大，原子核較穩(wěn)定.【例 2 下列關(guān)于結(jié)合能和平均結(jié)合能的說法中，正確的有()A.核子結(jié)合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量稱為結(jié)合能B. 平均結(jié)合能越大的原子

6、核越穩(wěn)定，因此它的結(jié)合能也一定越大C. 重核與中等質(zhì)量原子核相比較，重核的結(jié)合能和平均結(jié)合能都較大D. 中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和平均結(jié)合能均比輕核的要大3答案 D解析 核子結(jié)合成原子核會放出能量，原子核拆解成核子需要吸收能量，A 選項錯誤；平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，但平均結(jié)合能越大的原子核，其結(jié)合能不一定大，例如中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能比重核的大，但由于核子數(shù)比重核的少，其結(jié)合能比重核的反而小， B C 選項錯誤；中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能比輕核的大，它的原子核內(nèi)核子數(shù)又比輕核 的多，因此它的結(jié)合能也比輕核大，D 選項正確.借題發(fā)揮結(jié)合能、平均結(jié)合能的對比理解(1) 核子結(jié)合成原子核時一

7、定釋放能量，原子核分開成核子時一定吸收能量吸收或釋放的能量越大，表明原子核的結(jié)合能越大.(2) 平均結(jié)合能為結(jié)合能與核子數(shù)的比值，平均結(jié)合能越大表明原子核越穩(wěn)定.一般情況下，中等質(zhì)量的原子核比輕核和重核的平均結(jié)合能都大.針對訓(xùn)練 一個中子與某原子核發(fā)生核反應(yīng)，生成一個氘核，其核反應(yīng)方程為 _ 該反應(yīng)放出的能量為 Q,則氘核的平均結(jié)合能為 _. 答案0n +!H2HQ解析方程式：in+1H2H.核子結(jié)合成原子核要放出能量，這個能量叫原子核的結(jié)合能.它的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱作平均結(jié)合能，由題意知氘核的核子數(shù)為2，所以平均結(jié)合能為Q三、質(zhì)量虧損和核能的計算1 對質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的理解(1) 質(zhì)能

8、方程質(zhì)能方程：愛因斯坦的相對論指出，物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，其關(guān)系是E2=me.(2) 質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消失，減少的質(zhì)量在核子結(jié)合成核的過程中以能量的形式輻射出去了.物體質(zhì)量增加，則總能量隨之增加；質(zhì)量減少，總能量也隨之減少.這時質(zhì)能方程也寫作E= mC.2 核能的計算方法(1)根據(jù)質(zhì)量虧損計算1根據(jù)核反應(yīng)方程，計算核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損m2根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E=AmC計算核能.其中m的單位是千克，E的單位是焦耳.4（2）利用原子質(zhì)量單位 u 和電子伏特計算根據(jù) 1 原子質(zhì)量單位（u）相當(dāng)于 931.5 MeV 的能量，用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以

9、 931.5 MeV，即卩E=AmK931.5 MeV.其中 m的單位是 u, E的單位是 MeV.【例 3】 某核反應(yīng)方程為1H+；He+ X.已知2H 的質(zhì)量為 2.013 6 u,泊的質(zhì)量為 3.018 0u,4He 的質(zhì)量為 4.002 6 u , X 的質(zhì)量為 1.008 7 u .則下列說法中正確的是（）A. X 是質(zhì)子，該反應(yīng)釋放能量B. X 是中子，該反應(yīng)釋放能量C. X 是質(zhì)子，該反應(yīng)吸收能量D. X 是中子，該反應(yīng)吸收能量答案 B解析由題目所給核反應(yīng)方程，根據(jù)核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒規(guī)律，可得1H+4He+0X, X 為中子.在該反應(yīng)發(fā)生前反應(yīng)物的總質(zhì)量m= 2.01

10、3 6 u+ 3.018 0 u= 5.031 6 u,反應(yīng)后產(chǎn)物總質(zhì)量m= 4.002 6 u+ 1.008 7 u= 5.011 3 u .總質(zhì)量減少，出現(xiàn)了質(zhì)量虧損.根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程可知該反應(yīng)釋放能量.故B 正確.借題發(fā)揮在核反應(yīng)中，是釋放能量還是吸收能量，需要確定反應(yīng)前后質(zhì)量的變化.若反應(yīng)后質(zhì)量減少即發(fā)生了質(zhì)量虧損，則釋放出能量，反之吸收能量.由于不明確質(zhì)量虧損的含義與能量的關(guān)系，易誤選D.注意此反應(yīng)過程質(zhì)量發(fā)生虧損，釋放出能量.【例 4】 已知氮核質(zhì)量MN= 14.007 53 u，氧 17 核的質(zhì)量MO= 17.004 54 u，氦核質(zhì)量Me=4.003 87 u ，氫核質(zhì)量

11、MH= 1.008 15 u，試判斷：1；N+；H !H這一核反應(yīng)是吸收 能量還是放出能量？能量變化量是多少？答案吸收能量 1.2 MeV解析 反應(yīng)前總質(zhì)量：M+Me= 18.011 40 u ,反應(yīng)后總質(zhì)量：M）+MH= 18.012 69 u.可以看出：反應(yīng)后總質(zhì)量增加，故該反應(yīng)是吸收能量的反應(yīng).2吸收的能量利用AE=Amc2來計算，若反應(yīng)過程中質(zhì)量增加1 u，就會吸收 931.5 MeV 的能量，故AE= （18.012 69 18.011 40）K931.5 MeV 1.2 MeV.對點(diǎn)竦習(xí)丨就IM應(yīng)用-瓦詵對原子核中核力的理解1.對原子核的組成，下列說法正確的是（）A 核力可使一些中

12、子組成原子核B.核力可使較多的質(zhì)子組成原子核C.不存在只有質(zhì)子的原子核D.質(zhì)量較大的原子核內(nèi)一定有中子5答案 D解析 由于原子核帶正電， 不存在只有中子的原子核， 但核力也不能把較多的質(zhì)子聚集在一 起組成原子核，原因是核力是短程力，質(zhì)子之間還存在“長程力”庫侖力，A、 B 錯誤；自然界中存在一個質(zhì)子的原子核，1H,C錯誤；較大質(zhì)量的原子核內(nèi)只有存在一些中子，才能削弱庫侖力，維系原子核的穩(wěn)定，故D 正確.對結(jié)合能與平均結(jié)合能的理解2.質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為m、m和m.當(dāng)一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成氘核時，釋放的能量是(c表示真空中的光速)()A. (m1m2m3)cB. (m1m2m3)c22

13、C. (m1m2m3)cD. (m1m2m3)c答案 C22解析 根據(jù)質(zhì)能方程，E=Ame,其中m= m+mm，貝UE= (m+mm)c, C 正確，A、 B、 D 錯誤.質(zhì)量虧損和核能的計算3.為紀(jì)念愛因斯坦對物理學(xué)的巨大貢獻(xiàn),聯(lián)合國將 2005年定為“國際物理年”. 對于愛因斯坦提出的質(zhì)能方程E=mC,下列說法中不正確的是()A. E=mC表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比B.根據(jù)AE=AmC可以計算核反應(yīng)中釋放的核能C.一個中子和一個質(zhì)子結(jié)合成氘核時，釋放出核能，表明此過程中出現(xiàn)了質(zhì)量虧損2D. E=me中的E是發(fā)生核反應(yīng)時釋放的核能答案 D解析 愛因斯坦質(zhì)能方程E=mC,定量地指出了物體

14、的能量和質(zhì)量之間的關(guān)系，A 正確；由質(zhì)能方程知,當(dāng)物體的質(zhì)量減少時,物體的能量降低,向外釋放了能量,反之,若物體的質(zhì) 量增加了, 貝物體的能量增加, 表明它從外界吸收了能量, 所以由物體的質(zhì)量變化能算出物 體的能量變化，故 B C 正確，D 錯誤.4.三個a粒子結(jié)合成一個碳 12,已知碳原子的質(zhì)量為 12.000 0 u，氦原子質(zhì)量為 4.002 6 u(1uC2=931.5 MeV)(1) 寫出核反應(yīng)方程；(2) 這個核反應(yīng)放出的能量是多少 MeV?(3) 這個能量合多少焦耳？412答案(1)32Hh6C+AE(2)7.27 MeV6（3）1.16x10一12J解析（1）核反應(yīng)方程：3；Hb

15、 C+ E.（2）質(zhì)量虧損： mt= 3X 4.002 6 u 12.000 0 u = 0.007 8 u = 12.948x10_30kg ,這個核反應(yīng)放出的能量是2E= mc2= 7.27 MeV.6 19 12（3）E=7.27x10 x1.6x10J=1.16x10J.題組訓(xùn)練嶽糾怛總:厠（時間：60 分鐘）題組一對核力及結(jié)合能的理解1 下列對核力的認(rèn)識，正確的是（）A. 核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)，比庫侖力大得多B. 核力存在于質(zhì)子和中子、中子和中子之間，質(zhì)子和質(zhì)子之間只有庫侖斥力C. 核力是核子間相互吸引的力，是短程力D. 核力只存在于相鄰的核子之間，具有飽和性答案 D解析在原子

16、核的尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多，但當(dāng)原子核大到一定程度時， 核力將不足 以平衡庫侖力，A 錯誤；相鄰核子間都存在核力作用，具有飽和性，B 錯誤，D 正確；核子間的距離小于 0.8x1015m 時核力表現(xiàn)為斥力， 大于 0.8x1015m 時表現(xiàn)為吸引力，C 錯誤.2.（多選） 關(guān)于原子核的結(jié)合能， 下列說法正確的是（）A. 原子核的結(jié)合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B.一重原子核衰變成a粒子和另一原子核，衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié) 合能C. 銫原子核（15?CS）的結(jié)合能小于鉛原子核（鬱 Pb）的結(jié)合能D. 平均結(jié)合能越大，原子核越不穩(wěn)定答案 ABC解析 結(jié)合能是把核

17、子分開所需的最小能量，選項A 正確；一重原子核衰變成a粒子和另一原子核，存在質(zhì)量虧損，核子平均結(jié)合能增大，衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié)合能，選項 B 正確；核子數(shù)越多，結(jié)合能越大，選項C 正確；平均結(jié)合能越大，分開核子所需的能量越大，原子核越穩(wěn)定，選項D 錯誤.3.（多選）下列對結(jié)合能、平均結(jié)合能的認(rèn)識正確的是（）A. 切原子核均具有結(jié)合能7B. 自由核子結(jié)合為原子核時，可能吸收能量C. 結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定D. 平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定8答案 AD解析 由自由核子結(jié)合成原子核的過程中，核力做正功，釋放出能量；反之，將原子核分開變?yōu)樽杂珊俗訒r需要吸收相應(yīng)的能量，該能量即為結(jié)

18、合能，故A 正確，B 錯誤核子較多的原子核的結(jié)合能大，但它的平均結(jié)合能不一定大， 平均結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定性， 故 C 錯誤，D 正確.4.如圖 1 所示是描述原子核核子的平均質(zhì)量m與原子序數(shù)Z的關(guān)系曲線，由圖可知下列說法正確的是（答案 C題組二質(zhì)量虧損和核能的計算5.（多選）對公式 E= mC的正確理解是（）A.如果物體的能量減少了 E它的質(zhì)量也一定相應(yīng)減少 mB.如果物體的質(zhì)量增加了 m它的能量也一定相應(yīng)增加 mCC. m 是某原子核在衰變過程中增加的質(zhì)量D.在把核子結(jié)合成原子核時，若放出的能量是 E,則這些核子的質(zhì)量和與組成原子核的質(zhì)量之差就是m答案 ABD解析一定質(zhì)量對應(yīng)于一

19、定的能量，物體的能量減少了 E,它的質(zhì)量也一定相應(yīng)減少 m即發(fā)生質(zhì)量虧損，所以選項 A、D 正確；如果物體的質(zhì)量增加了m它的能量一定相應(yīng)增加mC,所以選項 B 正確；某原子核在衰變時，一定發(fā)生質(zhì)量虧損，所以選項C 錯誤.6.（多選）一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成氘核，同時放出丫光子，核反應(yīng)方程是1H+On1H+ 丫，以下說法中正確的是（）A. 將原子核A分解為原子核BB. 將原子核D E結(jié)合成原子核C. 將原子核A分解為原子核BD. 將原子核F、C結(jié)合成原子核C可能吸收能量F可能吸收能量F一定釋放能量B一定釋放能量解析因BC核子平均質(zhì)量小于A的核子平均質(zhì)量，故A分解為B C時，會出現(xiàn)質(zhì)量虧損,故放出

20、核能，故 A 錯，同理可得B D 錯，C 正確.9A. 反應(yīng)后氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和B. 反應(yīng)前后的質(zhì)量數(shù)不變，因而質(zhì)量不變102C. 丫光子的能量為 me, m為反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，c為光在真空中的速度D.因存在質(zhì)量虧損 m 所以“物質(zhì)不滅”的說法不正確答案 AC解析 核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)及能量均守恒，由于反應(yīng)中要釋放核能，會出現(xiàn)質(zhì)量虧損,反應(yīng)中氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和，釋放的能量會以光子的形式向外 釋放，故正確答案為 A C.7.原子質(zhì)量單位為 u,1 u 相當(dāng)于 931.5 MeV 的能量，真空中光速為e，當(dāng)質(zhì)量分別為m和m的原子核結(jié)合為質(zhì)量為M

21、的原子核時釋放出的能量是()2A. (M- mm)cB. (m+m-Mx931.5 J2C. (m+m-M cD. (m+m-Mx931.5 eV答案 C解析 在核能計算時，如果質(zhì)量的單位是kg,則用E=Amc進(jìn)行計算，如果質(zhì)量的單位是 u,則利用 1 u 相當(dāng)于 931.5 MeV 的能量計算，即AE=AmX931.5 MeV 進(jìn)行計算，故 C 正確，A、B D 錯.&一個氘核1H質(zhì)量為m，個氚核；H 質(zhì)量為m，它們結(jié)合成一個質(zhì)量為m的氦核.核反應(yīng) 方程如下：泊+?HR；He+ X.在這一核反應(yīng)過程中釋放的能量為AE已知光速為C，則以下判斷正確的是()A.X 是質(zhì)子B.X 是正電子C

22、.X 的質(zhì)量為m+m-mAEm+m-m-c答案 D解析由電荷數(shù)守恒知，X 的質(zhì)子數(shù)為 0，由質(zhì)量數(shù)守恒知，X 的質(zhì)量數(shù)為 1,故 X 為中子，設(shè) X 的質(zhì)量為m反應(yīng)中的質(zhì)量虧損Am= m+m-m-m，釋放的核能AE=Am(c= (m+m2AE-m-n)c，是 X 的質(zhì)量為m+m-m-一亍，故選項 D 正確.c9.氘核和氚核結(jié)合時的核反應(yīng)方程為2H+1HR2He+in，已知；H 的平均結(jié)合能是 2.78 MeV，2H 的平均結(jié)合能是1.09 MeV，；He 的平均結(jié)合能是 7.03 MeV，則核反應(yīng)時釋放的能量為D. X 的質(zhì)量為11_MeV.答案 17.6解析結(jié)合反應(yīng)前氘核和氚核的總結(jié)合能E=

23、(1.09X2+2.78X3) MeV=10.52 MeV.12反應(yīng)后生成的氦核的結(jié)合能Ea= 7.03 X 4 MeV 28.12 MeV.由于單個核子無結(jié)合能，所以結(jié)合過程釋放出的能量為E=E2-Ei= (28.12 10.52) MeV = 17.6 MeV.題組三綜合應(yīng)用10歷史上第一次利用加速器實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)，是用加速后動能為0.5 MeV 的質(zhì)子1H 轟擊靜止的AEX 生成兩個動能均為 8.9 MeV 的2He.(1 MeV = 1.6X1013J)(1) 上述核反應(yīng)方程為 _ (2) 質(zhì)量虧損為 _ kg.答案(1)；H+；He+；He(或；H+】Li ；He+；He) (2)3.1X1029解析(1)根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可寫出核反應(yīng)方程為1H+3X；He+；He 或1H+ 3Li2He+2He.(2)設(shè)反應(yīng)前質(zhì)子的動能為丘0,反應(yīng)后2He 的動能為Ek,由于質(zhì)量虧損而釋放的能量為E=2 丘氐=(2X8.90.5) MeV=17.3 MeV,根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，有E17.3X1.6X101329mi= m=TTyVpykg3.1X10 kg.11 兩個中子和兩個質(zhì)子結(jié)合成一個氦核，同時釋放一定的