《2018-2019學年高中物理 第三章 原子核 3.4 原子核的結(jié)合能課件 教科版選修3-5.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2018-2019學年高中物理 第三章 原子核 3.4 原子核的結(jié)合能課件 教科版選修3-5.ppt（49頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、4 原子核的結(jié)合能,一、原子核的結(jié)合能概念和結(jié)合能的計算 1.結(jié)合能概念:由___________結(jié)合成原子核的過程 中所釋放出的能量。 2.質(zhì)量虧損:原子核的_______都小于構(gòu)成它的所有核 子單獨存在時的_________,二者之差稱為質(zhì)量虧損。,分散的核子,靜質(zhì)量,總靜質(zhì)量,3.愛因斯坦的質(zhì)能方程:物體的能量和質(zhì)量之間存在 著密切的確定聯(lián)系,即_____。物體質(zhì)量發(fā)生變化時, 它的能量也按照這一關(guān)系式發(fā)生相應(yīng)的變化,即 _________。,E=mc2,ΔE=Δmc2,【想一想】有人認為質(zhì)量虧損就是核子的個數(shù)變少了,這種認識對不對? 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
2、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。,二、比結(jié)合能曲線 1.從比結(jié)合能曲線可以看出: (1)比結(jié)合能越大,核就越_____。_________是原子 核穩(wěn)定程度的量度。 (2)曲線中間高兩頭低,說明中等質(zhì)量的原子核比 結(jié)合能最大,_____________最穩(wěn)定。,穩(wěn)定,比結(jié)合能,中等質(zhì)量的核,(3)質(zhì)量較大的_____和質(zhì)量較小的_____比結(jié)合能都 較小。 2.核聚變:兩個輕核結(jié)合成較重的___________釋放 出能量的過程叫核聚變。 3.核裂變:一個重核_____為兩個(或多個)中等質(zhì)量 的核時釋放出
3、_____的過程叫核裂變。,重核,輕核,單個原子核,分裂,核能,【判一判】 (1)比結(jié)合能越大,原子核中核子結(jié)合得越牢 固。 ( ) (2)比結(jié)合能也叫平均結(jié)合能。 ( ) (3)輕核聚變釋放能量,重核裂變吸收能量。( ),提示:(1)比結(jié)合能越大,要把原子核中的核子拆散開,需要克服核力做的功越多,核子結(jié)合得越牢固,(1)正確。 (2)比結(jié)合能也叫平均結(jié)合能,是一個概念的兩種叫法,(2)正確。 (3)重核裂變也釋放能量,(3)錯。,知識點一、原子核的結(jié)合能、比結(jié)合能 思考探究:,如圖所示,氘核吸收2.23MeV的能量就可以把原子核中的核子拆散為分散的質(zhì)子和中子,那么: 如果把分散的核子結(jié)合成原
4、子核會不會釋放出能量呢?如果會,所釋放的能量又有多少呢?,【歸納總結(jié)】 1.原子核的結(jié)合能: 組成原子核的核子間存在著強大的核力,核力使原子核成為一個堅固的集合體。如果將原子核中的核子拆散為分散的質(zhì)子和中子,就得克服核力而做巨大的功。若要把分散的核子結(jié)合成一個原子核,就會放出巨大的能量。由分散的核子結(jié)合成原子核的過程中所釋放出的能量稱為原子核的結(jié)合能。,2.比結(jié)合能: 原子核越大,它的結(jié)合能越高,因此有意義的是它的結(jié)合能與核子數(shù)之比,稱作比結(jié)合能。比結(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。,【特別提醒】 中等大小的原子核的比結(jié)合能最大,這些核最穩(wěn)定。使較重的核分裂成中等大小的核
5、,或者把較小的核合并成中等大小的核,核子的比結(jié)合能都會增加,都要釋放能量。,【典例】下面關(guān)于結(jié)合能和比結(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.比結(jié)合能越大的原子核越穩(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)合能和比結(jié)合能都大 D.中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能均比輕核的要大,【思路點撥】解答此類問題時應(yīng)掌握以下兩點: (1)要正確理解結(jié)合能和比結(jié)合能兩個概念,比結(jié)合能和核子數(shù)的乘積就是結(jié)合能。 (2)中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能大于重核、輕核的比結(jié)合能,但結(jié)合能的大小由比結(jié)合能與原子核內(nèi)核子數(shù)的乘積
6、來決定。,【正確解答】選D。核子結(jié)合成原子核放出能量,原子核拆解成核子吸收能量,A選項錯;比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,但比結(jié)合能越大的原子核,其結(jié)合能不一定大,例如,中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比重核大,但由于核子數(shù)比重核少,其結(jié)合能比重核反而小,B、C選項錯;中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比輕核的大,原子核內(nèi)核子數(shù)又比輕核多,因此它的結(jié)合能也比輕核大,D選項正確。,【過關(guān)訓練】 對結(jié)合能、比結(jié)合能的認識,下列說法正確的 是 ( ) A.一切原子核均具有結(jié)合能 B.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.比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,【解析】選D。氫原子核只有一個質(zhì)子,無結(jié)
7、合能,結(jié)合能并不是原子核所具有的能量,故A錯;自由核子結(jié)合為原子核時,放出能量,故B錯;比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,故C錯,D正確。,【補償訓練】 如圖是比結(jié)合能曲線,根據(jù)比結(jié)合能曲線思考下面的問題:,兩個氘核發(fā)生如下的核反應(yīng): 在反應(yīng)的過程中是放出能量還是吸收能量?為什么?,【解析】由比結(jié)合能曲線可知2個 的比結(jié)合能為 2MeV,而一個 的比結(jié)合能為7.0MeV,即2個 結(jié)合成一個 時能夠放出5MeV的能量.,知識點二、原子核結(jié)合能的計算 思考探究: 根據(jù)愛因斯坦提出的質(zhì)能關(guān)系式,可知物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的確定關(guān)系,請思考下列問題: (1)什么是質(zhì)量虧損現(xiàn)象? (2)在核反應(yīng)中如
8、何利用質(zhì)能關(guān)系式研究能量和質(zhì)量的關(guān)系呢?,【歸納總結(jié)】 1.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。,2.質(zhì)量虧損: 實驗表明,原子核的靜質(zhì)量都小于構(gòu)成它的所有核子單獨存在時的總靜質(zhì)量。通常把核反應(yīng)中的質(zhì)量減少稱為質(zhì)量虧損。 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。,【特別提醒】 (1)物體的質(zhì)量包
9、括靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量,質(zhì)量虧損并不是這部分質(zhì)量消失或轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?只是靜止質(zhì)量的減少。減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量有關(guān)的運動質(zhì)量,在核反應(yīng)中仍然遵守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律。 (2)質(zhì)量虧損也不是核子個數(shù)的減少,核反應(yīng)中核子個數(shù)是不變的。,【典例探究】 【典例】一個鋰核( )受到一個質(zhì)子的轟擊,變成兩 個α粒子。已知質(zhì)子的質(zhì)量是1.673 610-27kg,鋰核 的質(zhì)量是11.650 510-27kg,氦核的質(zhì)量是6.646 6 10-27kg。 (1)寫出上述核反應(yīng)的方程。 (2)計算上述核反應(yīng)釋放出的能量。(保留3位有效數(shù)字),【思路點撥】解答本題時應(yīng)把握以下三點: (1)寫核反應(yīng)方程時
10、,要注意元素符號和兩個守恒。 (2)用反應(yīng)物的質(zhì)量減去生成物的質(zhì)量等于質(zhì)量虧損。 (3)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE=Δmc2計算釋放的核能。,【正確解答】(1) (2)核反應(yīng)的質(zhì)量虧損 Δm=mLi+mp-2mα =(11.650 510-27+1.673 610-27-26.646 6 10-27)kg=3.0910-29kg。 釋放的能量 ΔE=Δmc2=3.0910-29(3108)2J=2.7810-12J,答案:(1) (2)2.7810-12J,【總結(jié)提升】應(yīng)用質(zhì)能方程時應(yīng)注意的三個問題 (1)要明確題目中已知量的單位,只有Δm和c取國際單位,得到的E才是國際單位。 (2)計算質(zhì)量虧
11、損Δm時,正確書寫核反應(yīng)方程是關(guān)鍵,特別是某個核子或原子核前系數(shù)不是“1”的情況。 (3)此類題目運算量比較大,一定要細心演算,有時需要保留幾位有效數(shù)字。,【過關(guān)訓練】 1.(多選)(2016全國卷Ⅲ)一靜止的鋁原子核 俘獲一速度為1.0107m/s的質(zhì)子p后,變?yōu)樘幱诩ぐl(fā) 態(tài)的硅原子核 Si*,下列說法正確的是 ( ),A.核反應(yīng)方程為p+ → Si* B.核反應(yīng)過程中系統(tǒng)動量守恒 C.核反應(yīng)過程中系統(tǒng)能量不守恒 D.核反應(yīng)前后核子數(shù)相等,所以生成物的質(zhì)量等于反應(yīng)物的質(zhì)量之和 E.硅原子核速度的數(shù)量級為105m/s,方向與質(zhì)子初速度方向一致,【解析】選A、B、E。根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得
12、核反應(yīng)方程p+ → Si*,A正確;核反應(yīng)過程中的核 力遠遠大于外力,故系統(tǒng)動量守恒,B正確;核反應(yīng)過程 中系統(tǒng)能量守恒,C錯誤;由于反應(yīng)過程中,要釋放大量 的能量,即伴隨著質(zhì)量虧損,所以生成物的質(zhì)量小于反 應(yīng)物的質(zhì)量之和,D錯誤;由動量守恒可知mv=28mv′, 解得v′= 107m/s,故數(shù)量級為105m/s,E正確。,2.(2015江蘇高考)取質(zhì)子的質(zhì)量mp=1.672 6 10-27kg,中子的質(zhì)量mn=1.674 910-27kg,α粒子的質(zhì)量mα=6.646 710-27kg,光速c=3.0108m/s。請計算α粒子的結(jié)合能。(計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字),【解析】α粒子由兩個質(zhì)子和
13、兩個中子組成,根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE=Δmc2,可求:ΔE=(2mp+2mn-mα)c2 =4.310-12J。 答案:4.310-12J,【溫馨提示】 質(zhì)能方程說明,一定質(zhì)量的物體所具有的總能量是一定的,等于光速的平方與其質(zhì)量之積。這里所說的總能量,不是單指物體的動能、核能或其他哪一種能量,而是物體所具有的各種能量的總和。因此,核反應(yīng)問題往往和能量守恒定律結(jié)合起來考查。,【拓展例題】考查內(nèi)容:能量守恒定律在核反應(yīng)中的應(yīng)用 中子n、質(zhì)子p、氘核D的質(zhì)量分別為mn、mp、mD,現(xiàn)用能量為E的γ射線照射靜止氘核使之分解,反應(yīng)的方程為:γ+D=p+n.若分解后中子、質(zhì)子的動能可視為相等,則中子的動
14、能是____________.,【思路點撥】能量E一部分被氘核吸收,另一部分轉(zhuǎn)化為中子、質(zhì)子的動能.,【正確解答】已知質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核時,會放出能量ΔE=(mp+mn-mD)c2,反過來,將氘核分解成中子和質(zhì)子需吸收同樣多的能量ΔE.在光子的照射下,光子的能量中,有一部分(等于ΔE)會被氘核吸收用于分解,剩下的能量才轉(zhuǎn)變成中子和質(zhì)子的動能2Ek,因此有2Ek=E-(mp+mn-mD)c2,然后便可求出中子的動能Ek. 答案: [(mD-mp-mn)c2+E],核反應(yīng)中核能計算的基本方法 (1)根據(jù)質(zhì)量虧損計算,步驟如下: ①根據(jù)核反應(yīng)方程,計算核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損Δm; ②根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能
15、方程ΔE=Δmc2計算。 計算過程中Δm的單位是kg,c的單位是m/s,ΔE的單位是J。,(2)利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特計算 ①明確原子質(zhì)量單位u和電子伏特間的關(guān)系 1u=1.660510-27kg,1eV=1.610-19J。 由ΔE=Δmc2,得 ΔE=,②根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當于931.5MeV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931.5MeV,即ΔE=Δm931.5MeV.Δm的單位是u,ΔE的單位是MeV。,(3)根據(jù)能量守恒和動量守恒來計算核能 參與核反應(yīng)的粒子所組成的系統(tǒng),在核反應(yīng)過程中的動量和能量是守恒的。因此,在題設(shè)條件中如果沒有涉及質(zhì)量虧損,或者
16、核反應(yīng)所釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為生成的新粒子的動能而無光子輻射的情況下,利用動量和能量守恒可以計算出核能的變化。,【案例展示】 H的質(zhì)量是3.016 050u,質(zhì)子的質(zhì)量是1.007 277u,中子的質(zhì)量是1.008665u。則: (1)一個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合為氚核時,是吸收還是放出能量?該能量為多少? (2)氚核的結(jié)合能和比結(jié)合能各是多少?,【正確解答】(1)一個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合成氚核的 核反應(yīng)方程式是 H+ n→ H,反應(yīng)前各核子總質(zhì)量為 mp+2mn=1.007277u+21.008 665u =3.024 607u,反應(yīng)后新核的質(zhì)量為mH=3.016050u 質(zhì)量虧損為Δm=3.024 607u-3.016 050u =0.008 557u 因反應(yīng)前的總質(zhì)量大于反應(yīng)后的總質(zhì)量,故此核反應(yīng)為放出能量的反應(yīng)。 釋放的核能為ΔE=0.008 557931.5MeV =7.97MeV,(2)氚核的結(jié)合能即為ΔE=7.97MeV 它的比結(jié)合能為 =2.66MeV 答案:(1)放出能量7.97MeV (2)7.97MeV 2.66MeV,【易錯分析】本題易錯角度及錯誤原因分析如下:,
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