1、第十九章 原子核5 核力与结合能学 习 目 标重 点 难 点1.知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用2知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小3掌握结合能和比结合能的概念4知道质量亏损，理解爱因斯坦质能方程并能进行有关核能的计算.重点1.爱因斯坦质能方程的理解2结合能和比结合能概念难点1.对爱因斯坦质能方程的理解2结合能的概念.知识点一 核力与四种基本相互作用提炼知识1核力的定义：原子核内核子之间的相互作用力2核力的特点(1)核力是参与强相互作用的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多(2)核力是短程力，作用范围在 1.51015 m 之内，核力在大于 0
2、.81015 m 时表现为吸引力，且随距离增大而减小，超过 1.51015 m，核力急剧下降几乎消失；而在距离小于 0.81015 m 时，核力表现为斥力(3)核力的饱和性：每个核子只跟邻近的核子发生核力作用3四种基本相互作用力弱力、强力、电磁力、万有引力分别在不同的尺度上发挥作用：(1)弱力(弱相互作用)：弱相互作用是引起原子核 衰变的原因，属于短程力；(2)强力(强相互作用)：在原子核内，强力将核子束缚在一起，属于短程力；(3)电磁力：电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原子结合成分子，使分子结合成液体或固体，属于长程力；(4)万有引力：万有引力主要在宏观和宇观尺度上“
3、独领风骚”万有引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状万有引力属于长程力判断正误1核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大()2原子核内的质子是靠万有引力来抗衡库仑斥力的()3弱相互作用是引起 衰变的原因()小试身手1(多选)下列说法正确的是()A核力是短程力，作用范围很小，只在邻近核子间发生B核力可能是引力，也可能是斥力核力把核子紧紧束缚在核内，形成稳定的原子核，但又不会融合在一起C质子间、中子间、质子和中子之间都有核力D核力是一种强相互作用力，在其作用范围内，核力比库仑力大得多解析：核力作用的范围在 1015 m 区域内，只在邻近核子间发生，是短程力，A 对；当两核子间距
4、离减小时，核力也迅速减小，至一定值时，核力表现为斥力，B 对；核力是质子、中子之间的强相互作用力，C、D 对 答案：ABCD知识点二 原子核中质子与中子的比例和结合能提炼知识1原子核中质子与中子的比例(1)轻原子核：自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等(2)重原子核：但对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差就越大2结合能与质量亏损(1)结合能：把原子核分解为独立的核子，需要克服强大的核力做功，因此吸收的能量或核力把核子结合在一起放出的能量，称为原子核的结合能(2)比结合能：结合能与核子数之比称为比结合能，比结合能越大，表示原子核中核子结合的越牢固，原子核越稳定(3)质
5、量亏损：质量亏损：核反应前与反应后的总质量之差称为质量亏损爱因斯坦质能方程：Emc2核能的计算：E mc2，其中 m 是质量亏损判断正误1自然界中的原子核内，质子数与中子数大致都相等()2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()小试身手2(多选)关于原子核中质子和中子的比例，下列说法正确的有()A原子核中质子和中子的个数一定相等B稳定的重原子核里，中子数要比质子数多C原子核大到一定程度时，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D质子和中子可以组合成任意稳定的核答案：BC拓展一 对结合能和比结合能的理解1结合能原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，
6、要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能，它等于核子结合为原子核时放出的能量2比结合能原子核的结合能与其核子数之比，称作比结合能它反映了原子核的稳定程度3比结合能曲线不同原子核的比结合能随质量数变化的图线如图所示从图中可看出，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小4比结合能与原子核稳定的关系(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定(3)当比结合能较小的原子核转化成比结
7、合能较大的原子核时，就可能释放核能例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能【典例 1】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解析：核子结合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，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
8、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，它的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 答案：D名师点评 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.中等质量原子核的比结合能大于重核、轻核的比结合能，但结合能大小由比结合能与原子核内核子数的乘积来决定1核子结合成原子核或原子核分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化，这是因为()A原子核带正电，电子带负电，电荷间存在很大的库仑力B核子具有质量且相距很近，存在很大的万有引力C核子间存在着强大的核力D核子间存在着复杂磁力解析：
9、核力是短程力，由于核力很强大，所以将核子拆开需要大量的能量克服核力做功相反，若核子结合成原子核，则放出大量的能量，所以选项 C 正确 答案：C拓展二 对质能方程的理解和核能的计算1对质量亏损的理解(1)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反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给(2)质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来(3)m 是核反应前与核反应后的质量之差2对质能方程 Emv2本质的理解爱因斯坦质能方程反映的是质量亏损和核能这两种现象之间的联系，并不表示质量和能量之间的转变关系对于质量亏损，不能理解为质量
10、变成了能量，质能方程的本质是：(1)质量或能量是物质的属性之一，绝不能把物质和它们的某一属性(质量和能量)等同起来(2)质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，建立了这两个属性在数值上的关系，这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒，质量和能量在数值上的联系绝不等于这两个量可以相互转化(3)质量亏损不是否定了质量守恒定律根据爱因斯坦的相对论，辐射出的 光子静质量虽然为零，但它有动质量，而且这个动质量刚好等于亏损的质量，所以质量守恒、能量守恒仍成立3核反应中由于质量亏损而释放的能量 E mc2.从爱因斯坦质能方程同样可以得出，物体的能量变化 E 与物体的质量变化 m 的关系：E mc2.4判断核反应过程
11、是释放能量还是吸收能量的方法根据反应前后质量的变化情况进行判断，若质量减少即发生了质量亏损，则释放能量；若质量增加，则吸收能量警示：核反应前后仍然遵循质量守恒和能量守恒；核反应中释放的核能是由于核力做功引起的【典例 2】已知氮核质量 mN14.007 53 u，氧核质量 mO17.004 54 u，氦核质量 mHe4.003 87 u，质子质量 mH1.008 15 u，试判断核反应14 7N42He17 8O11H是吸能反应，还是放能反应？能量变化多少？(1 u 相当于931.5 MeV 的能量)思路点拨：由反应物和生成物的质量大小关系来判断反应是吸能反应还是放能反应 解析：先计算出质量亏损
12、m，然后将 1 u 相当于 931.5 MeV 能量代入计算即可 反应前总质量为 mNmHe18.011 40 u，反应后总质量为 momH18.012 69 u.因为反应中质量增加，所以此反应为吸能反应，所吸收的能量为 E(18.012 6918.011 40)931.5 MeV1.2 MeV.答案：吸能反应 1.2 MeV名师点评 核反应中的质量亏损，并不是这部分质量消失或质量转化为能量物体的质量应包括静止质量和运动质量，质量亏损是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量另外，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2(多选)为了纪念爱因斯坦对物理学的巨
13、大贡献，联合国将 2005 年定为“国际物理年”，对于爱因斯坦提出的质能方程 Emc2，下列说法中正确的是()A物体获得一定的能量，质量也相应地增加一定值B物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系C根据 E mc2，可知质量减少能量就会增加，在一定条件下质量转化为能量D根据 E mc2可以计算核反应中释放的核能解析：根据质能方程Emc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的，当物体获得一定的能量，即能量增加某一定值时，它的质量也相应地增加一定值，这种关系任何条件下都成立，故 A 对 B 错根据Emc2可以计算核反应中释放的能量，释放的能量并非由质量转化而来，
14、故 C 错，D 对 答案：AD根据能量守恒和动量守恒来计算结合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，在题给条件中没有涉及质量亏损，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，从动量和能量守恒可以计算出结合能的变化【典例】有些核反应过程是吸收能量的例如，在X14 7N17 8O11H 中，核反应吸收的能量 Q(m0mH)(mxmN)c2.在该核反应过程中，X 表示什么粒子？X粒子以动能 Ek 轰击静止的14 7N 核，若 EkQ，则该核反应能否发生？请简要说明理由解析：根据电荷数守恒和质量数守恒，X 应为42He，即 粒子；若 Ek
15、Q，则该核反应不能发生，粒子以动能 Ek轰击静止的14 7N 核，说明 粒子有动量，根据动量守恒，粒子与14 7N 核碰撞后，总动量不等于零，则总动能也不等于零，根据能量守恒，剩余的能量不足以提供发生核反应吸收的能量 答案：见解析一静止的氡核(222 86Rn)发生 衰变，放出一个速度为v0、质量为 m 的 粒子和一个质量为 M 的反冲核钋(Po)，若氡核发生衰变时，释放的能量全部转化为 粒子和钋核的动能(1)写出衰变方程；(2)求出反冲核的速度；(3)求出这一衰变过程中亏损的质量解析：(1)由已知得222 86Rn218 84Po42He.(2)设反冲核的速度为 v，由动量守恒可知：mv0Mv，即 vmv0M.(3)由质能方程可知 Emc212mv2012Mv2m（Mm）2Mv0c2.答案：见解析
