高中物理 第4章 波與粒子 第1節(jié) 核力與核能教師用書 魯科版選修3-5

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第1節(jié)　核力與核能 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.認(rèn)識核素圖，知道核力的概念及特點．(重點) 2.知道穩(wěn)定原子核中質(zhì)子與中子的比例隨著原子序數(shù)的增大而減小．(重點) 3.理解結(jié)合能及平均結(jié)合能的概念，知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損．(難點) 4.掌握愛因斯坦質(zhì)能方程，理解質(zhì)量與能量的關(guān)系．(重點) 5.能應(yīng)用質(zhì)能方程進(jìn)行計算．(重點) 核 力 與 核 的 穩(wěn) 定 性 [先填空] 1．核力 把原子核中的核子維系在一起的力． 2．核力特點 (1)核力是短程力，作用范圍在2_fm(1 fm＝10－15 m)左右，它不能延伸到3_fm以外． (2)當(dāng)兩核子間距離減小時，核力也迅速減小，至一定值時，核力表現(xiàn)為斥力． (3)核力是一種強相互作用，若兩質(zhì)子之間的距離為1 fm，庫侖力是200_N左右，核力必須非常強才能抵消所有質(zhì)子庫侖力的作用． 3．核素 具有相同質(zhì)子數(shù)和相同中子數(shù)的原子核稱為核素． 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，或緊靠曲線的兩側(cè)區(qū)域． (2)穩(wěn)定核素的中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)的關(guān)系：隨著Z的增加，穩(wěn)定核素的中子數(shù)越來越大于質(zhì)子數(shù)． [再判斷] 1．原子核內(nèi)的質(zhì)子間均存在核力和庫侖力．() 2．穩(wěn)定原子核的質(zhì)子數(shù)總是與中子數(shù)相等．() 3．對質(zhì)子數(shù)較多的原子核，其中的中子數(shù)起到增加核力、維系原子核穩(wěn)定的作用．(√) [后思考] 原子核是由中子和質(zhì)子組成的，在原子核狹小的空間里，帶正電的質(zhì)子為什么能擠在一起而不飛散？ 【提示】　組成原子核的相鄰的核子間存在核力． [核心點擊] 1．原子核中核子比例關(guān)系：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)．越重的原子核，兩者相差越多． 2．形成原因及原子核的穩(wěn)定性 (1)原子核大到一定程度時，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力非常小，較多的質(zhì)子聚集在一起的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，原子核就不穩(wěn)定了．這時，不再成對地增加質(zhì)子和中子，而只增加中子，中子與其他核子間沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，有助于維系原子核的穩(wěn)定性． (2)核力的飽和性：穩(wěn)定的重原子核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多．由于核力的作用范圍是有限的，核力具有飽和性，如果我們繼續(xù)增大原子核，一些核子間的距離會大到其間根本沒有核力的作用，這時即使再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的．所以，原子核的大小也受到限制． 1．關(guān)于核力，下列說法中正確的是(　　) A．原子核內(nèi)每個核子只跟與它們相鄰的核子間才有核力作用 B．核力既可能是引力，又可能是斥力 C．核力對核子做正功，原子核要釋放核能 D．原子核內(nèi)的某一核子與其他核子間都有核力作用 E．原子核內(nèi)相距較遠(yuǎn)的兩個核子間沒有核力作用，但一定有庫侖力作用 【解析】　核力表現(xiàn)為引力時隨核子間距離的增大而減小，表現(xiàn)為斥力時使核子不會融合在一起，故B正確；核力是短程力，只有在2.010－15 m左右的范圍內(nèi)起作用，故A正確，D錯誤；核子結(jié)合成原子核時，核力對核子做正功，原子核釋放一定的能量，故C正確；原子核內(nèi)兩核子相距較遠(yuǎn)時沒有核力作用，核內(nèi)質(zhì)子與中子間不會有庫侖力作用，E錯誤． 【答案】　ABC 2.核子結(jié)合成原子核的下列說法中，正確的是(　　) A．原子核內(nèi)的核子間均存在核力 B．原子核內(nèi)的質(zhì)子間均存在核力和庫侖力 C．當(dāng)n個核子靠近到核力作用的范圍而結(jié)合為原子核時，其間勢能一定減小 D．質(zhì)子數(shù)較多的原子核，其中的中子起到增加核力、維系原子核穩(wěn)定的作用 E．原子核內(nèi)的相鄰核子間的核力與核子是否帶電無關(guān) 【解析】　由于核力為短程力，只會發(fā)生在相鄰核子之間，與核子是否帶電無關(guān)，由此知A、B錯誤，E正確；當(dāng)n個核子靠近到核力作用范圍內(nèi)，而距離大于0.810－15 m時，核力表現(xiàn)為引力，在此過程中核力必做正功，其間勢能必定減小，形成原子核后距離一般不小于0.810－15 m，故C正確；質(zhì)子數(shù)較多的原子核由于只有相鄰的核子間才有核力，但各個質(zhì)子間均有很強的庫侖斥力，隨著質(zhì)子數(shù)的增加，其庫侖力增加，對于穩(wěn)定的原子核，必須存在較多的中子才能維系二者的平衡，故D正確． 【答案】　CDE 結(jié) 合 能 與 平 均 結(jié) 合 能 [先填空] 1．結(jié)合能 核子結(jié)合成原子核所釋放的能量． 2．平均結(jié)合能 (1)定義：平均每個核子的結(jié)合能． (2)意義：平均結(jié)合能越大，原子核越難分離成單個核子． 3．質(zhì)量虧損 (1)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． (2)能量計算：質(zhì)量虧損說明核子組成原子核放出能量，其大小為ΔE＝Δmc2. [再判斷] 1．原子核的核子數(shù)越多，平均結(jié)合能越大．() 2．質(zhì)量虧損是因為這部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量．() 3．結(jié)合能越大，核子結(jié)合得越牢固，原子越穩(wěn)定．() [后思考] 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？ 【提示】　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． [核心點擊] 1．對平均結(jié)合能的理解 (1)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． (2)核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，平均結(jié)合能都比較小，中等質(zhì)量的核平均結(jié)合能最大、最穩(wěn)定． (3)當(dāng)平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成平均結(jié)合能較大的原子核時，就要釋放核能． 2．質(zhì)量虧損、質(zhì)能方程及核能的計算 (1)質(zhì)量虧損： ①科學(xué)家研究證明在核反應(yīng)中原子核的總質(zhì)量并不相等．例如，精確計算表明：氘核的質(zhì)量比一個中子和一個質(zhì)子的質(zhì)量之和要小一些，這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損，質(zhì)量虧損只有在核反應(yīng)中才能明顯地表現(xiàn)出來． ②Δm是核反應(yīng)前與核反應(yīng)后的質(zhì)量之差． (2)質(zhì)能方程E＝mc2 愛因斯坦指出，物體的能量(E)和質(zhì)量(m)之間存在著密切的關(guān)系，即E＝mc2，式中c為真空中的光速．愛因斯坦質(zhì)能方程表明：物體所具有的能量跟它的質(zhì)量成正比．由于c2這個數(shù)值十分巨大，因而物體的能量是十分可觀的． (3)核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量ΔE＝Δmc2 從愛因斯坦質(zhì)能方程同樣可以得出，物體的能量變化ΔE與物體的質(zhì)量變化Δm的關(guān)系：ΔE＝Δmc2. 3．下列關(guān)于平均結(jié)合能的說法不正確的是(　　) A．核子數(shù)越多，平均結(jié)合能越大 B．核子數(shù)越多，平均結(jié)合能越小 C．結(jié)合能越大，平均結(jié)合能越大 D．平均結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定 E．中等質(zhì)量的原子核平均結(jié)合能較大 【解析】　中等質(zhì)量核的平均結(jié)合能比輕核和重核的平均結(jié)合能都大，故A、B、C均不正確，E正確．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，故D正確． 【答案】　ABC 4．關(guān)于愛因斯坦質(zhì)能方程，下列說法正確的是(　　) A．E＝mc2中的E是物體以光速c運動的動能 B．E＝mc2是物體各種形式能的總和 C．由ΔE＝Δmc2知，在核反應(yīng)中虧損的質(zhì)量Δm轉(zhuǎn)化成能量ΔE放出 D．由ΔE＝Δmc2知，在核反應(yīng)中虧損的靜質(zhì)量轉(zhuǎn)化為動質(zhì)量被放出的能量帶走 E．在公式ΔE＝Δmc2中，質(zhì)量虧損Δm與放出的核能ΔE只是一種對應(yīng)關(guān)系，并不是Δm轉(zhuǎn)化成能量ΔE了 【解析】　愛因斯坦的質(zhì)能方程E＝mc2表明，物體的質(zhì)量與其他各種形式的能量之間的關(guān)系，故A錯誤，B正確．ΔE＝Δmc2表明，在核反應(yīng)中虧損的質(zhì)量Δm將產(chǎn)生ΔE＝Δmc2的能量，只是以另一種形態(tài)的質(zhì)量(動質(zhì)量)釋放出來，與這部分質(zhì)量Δm相對應(yīng)的能量為Δmc2，而絕不是質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量了，故C錯誤，D、E正確． 【答案】　BDE 5．三個α粒子結(jié)合成一個碳C，已知碳原子的質(zhì)量為12.000 0 u，氦原子的質(zhì)量為4.002 6 u．(1 u＝1.6610－27 kg) 【導(dǎo)學(xué)號：18850051】 (1)寫出核反應(yīng)的方程； (2)這個核反應(yīng)放出的能量是多少焦？ (3)這個能量合多少MeV? 【解析】　(1)3He→C＋ΔE (2)Δm＝34.002 6 u－12.000 0 u＝0.007 8 u Δm＝0.007 81.6610－27 kg＝1.294 810－29 kg ΔE＝Δmc2≈1.16510－12 J. (3)ΔE＝eV≈7.28106 eV＝7.28 MeV. 【答案】　(1)3He→C＋ΔE (2)1.16510－12 J　(3)7.28 MeV 核能的兩種單位換算技巧 (1)若以kg為質(zhì)量虧損Δm的單位，則計算時應(yīng)用公式ΔE＝Δmc2. (2)若以原子單位“u”為質(zhì)量虧損單位，則ΔE＝Δm931.5 MeV. (3)兩種方法計算的核能的單位分別為“J”和“MeV”， 1 MeV＝11061.610－19 J＝1.610－13 J.