1、第3节核力与核能核心素养明目标核心素养学习目标物理观念知道四种基本相互作用与核力的特点，了解结合能、平均结合能和质量亏损的基本观念和相关实验。科学思维理解核力是短程力，掌握平均结合能和质量亏损，能用质能方程进行计算，提高分析、解决问题的能力。科学探究通过教材上的科学推理，掌握其实质，培养科学推理的能力。科学态度与责任学习科学家们严谨的科学态度，坚持实事求是，培养学习、探索科学的兴趣和责任。知识点一核力与核的稳定性四种基本相互作用1核力(1)定义：把原子核中的核子维系在一起的力。(2)特点核力是短程力。核力是强相互作用。2原子核的稳定性(1)核素：具有一定质子数和中子数的原子核。(2)核素图：用
2、横坐标表示质子数，纵坐标表示中子数，每一种核素用一小方块表示，所得到的图像叫作核素图。(3)原子核的稳定性核素的稳定区：稳定的核素几乎全落在一条曲线上，或紧靠曲线的两侧，这个区域称为核素的稳定区。稳定核素的中子数和质子数的关系：随着质子数的增加，稳定核素的中子数越来越大于质子数。3四种基本相互作用(1)四种基本相互作用：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用。其中引力相互作用和电磁相互作用是长程力；强相互作用和弱相互作用是短程力。(2)四种相互作用按由强到弱排列：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。说明：强相互作用是短程力，每个核子只跟相邻的核子发生作用，也叫核力的
3、饱和性。1：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大。()(2)弱相互作用是引起原子核衰变的原因。()(3)任何核子间均存在核力。()知识点二结合能与平均结合能1结合能核子结合成原子核所释放的能量称为原子核的结合能。2质量亏损(1)定义：任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和，这一差值叫作质量亏损。(2)结合能计算公式：Emc2。3平均结合能(1)定义：原子核的结合能与质量数之比。(2)重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能要小；轻核的平均结合能比稍重的核的平均结合能要小。注意：原子核的核子结合成原子核释放的能量与把它们分开需要的
4、能量相等。2：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)平均结合能越大，原子核越稳定。()(2)质能方程Emc2表明了质量与能量间的一种对应关系。()3：填空2个质子和1个中子结合可以生成氦3，核反应方程为2HnHe，已知每个质子的质量为1.007 277 u，中子的质量为1.008 665 u，氦核的质量为3.002 315 u，试求氦3的结合能为19.47 MeV。解析粒子结合前后的质量亏损为m2mHmnm21.007 277 u1.008 665 u3.002 315 u0.020 904 u.由于1 u相当于931.5 MeV，则结合能为E0.020 904931.5 MeV19.4
5、72 1 MeV。 考点1四种基本相互作用及核力的性质如图所示是稳定核的质子数与中子数的关系。实线为中子数与质子数相等的情况，而实际上稳定的原子核质子数与中子数关系是另一条线。(其中Z表示质子数，N表示中子数)稳定核的质子数与中子数的关系试探究：(1)在原子核较轻时与较重时有什么区别？(2)为什么会出现这种现象？提示：(1)原子核较轻时中子数与质子数大致相等，而较重时中子数明显多于质子数。(2)核力是短程力，且有饱和性，较重的原子核中子数比质子数多能，维持稳定。太大的原子核也不稳定，在宇宙演化过程中只有200多种稳定的原子核保留了下来。1四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用(1)引力相互作用：
6、引力主要在宏观和宏观尺度上“独领风骚”。是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。万有引力是长程力。(2)电磁相互作用：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，使分子结合成液体和固体。(3)强力：即强相互作用，在原子核内，强力将核子束缚在一起，强力是短程力。(4)弱相互作用：弱相互作用是引起原子核衰变的原因，即引起中子质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为1018 m，作用强度则比电磁力小。2核力的性质(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。约在1015 m数量级时起作用，距离大于0.8
7、1015 m时为引力，距离小于0.81015 m时为斥力，距离为101015 m时核力几乎消失。(3)核力具有饱和性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。(4)核力具有电荷无关性。核力与核子电荷无关。3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，其中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多。(2)形成原因：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。若
8、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，所以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。由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。【典例1】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由于核力的作用范围是有限的，核力具有饱和性，不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在思路点拨：(1)核力是短程力且有饱和性。(2)稳定的重原子核里中子数比质子数多。D由稳定核的质
9、子数与中子数的关系图像可知，质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多，故A、B错误；由核力作用特点可知，核子数越多的原子核越不稳定，故C错误，D正确。(1)核力是强相互作用力，只存在于相邻核子之间。(2)核力的存在与核子是否带电及电性无关。(3)原子核的稳定性与核力和库仑力的大小关系有关。1(多选)对原子核的组成，下列说法正确的是()A核力可使一些中子组成原子核B核力可使非常多的质子组成原子核C自然界中存在只有质子的原子核D质量较大的原子核内一定有中子CD由于原子核带正电，不存在只有中子的原子核，但核力也不能把非常多的质子聚集在一起组成原子核，原因是核力是短程力，质子之间还存在“长程力”库仑力
10、，A、B错误；自然界中存在只有一个质子的原子核，如H，C正确；较大质量的原子核内只有存在一些中子，才能削弱库仑力，维系原子核的稳定，D正确。 考点2结合能与质量亏损如图是描述原子核核子的平均质量与原子序数Z的关系曲线。试探究：(1)由图可以看出哪一段的平均质量最小？这说明了什么？(2)若A、B结合成C，D、E结合成F分别放出能量还是吸收能量？提示：(1)由图看出原子序数Z较为中间的部分平均质量小。这说明原子序数Z较为中间的部分平均结合能小。(2)若A、B结合成C则放出能量；D、E结合成F也是放出能量。1结合能(1)平均结合能曲线不同原子核的平均结合能随质量数变化的图线如图所示。从图中可看出，中
11、等质量原子核的平均结合能最大，轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核要小。(2)平均结合能与原子核稳定的关系平均结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，平均结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定。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，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，平均结合能较大，表示原子核较稳定。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。2质能方程与核能的计算(1)对质能方程和质量亏损的理解质能方
12、程质能方程：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是Emc2。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。物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写为Emc2。(2)核能的计算方法根据质量亏损计算a根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损m。b根据爱因斯坦质能方程Emc2计算核能。其中m的单位是千克，E的单位是焦耳。利用原子质量单位u和电子伏特计算根据1u931.5 MeV/c2的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即Em931.5 MeV。其中m的
13、单位是u，E的单位是MeV。【典例2】取质子的质量mp1.672 61027 kg，中子的质量mn1.674 91027 kg，粒子的质量m6.646 71027 kg，光速c3.0108 m/s。请计算粒子的结合能(计算结果保留两位有效数字)。思路点拨：(1)根据质量关系求出，亏损的质量m。(2)据爱因斯坦质能方程Emc2求得结合能。解析组成粒子的核子与粒子的质量差m(2mp2mn)m结合能Emc2代入数据得E4.31012 J。答案4.31012 J核能的两种单位(1)若以kg为质量亏损m的单位，则计算时应用公式Emc2。(2)若以原子单位“u”为质量亏损单位，则Em931.5 MeV。(
14、3)两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1 MeV11061.61019 J1.61013 J。角度一结合能、比结合能的理解2关于原子核的结合能，下列说法正确的是()A原子核的平均结合能等于将其完全分解成自由核子所需能量的最小值B原子核衰变成粒子和另一原子核，并释放出能量，衰变产物的结合能之和一定小于原来原子核的结合能C铯原子核(Cs)的结合能小于铅原子核(Pb)的结合能D平均结合能越大，原子核越不稳定C原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量，故A错误；原子核衰变成粒子和另一原子核，要释放能量，衰变产物的结合能之和一定大于原来原子核的结合能，故B错误；铯原子核(C
15、s)的平均结合能与铅原子核(Pb)的平均结合能差不多，而铯原子核(Cs)的核子数小于铅原子核(Pb)的核子数，故铯原子核(Cs)的结合能小于铅原子核(Pb)的结合能，故C正确；平均结合能越大，原子核越稳定，故D错误。故选C。角度二核能与动量、能量的综合3已知镭核Ra、氡核Rn、氦核He的质量分别是226.025 4 u、222.016 3 u、4.002 6 u。求在Ra的衰变(RaRnHe)中放出的能量是多少焦耳？如果这些能量都以核的动能形式释放出来，放出的粒子的速度多大(已知1 u1.661027 kg，光速c2.997 9108 m/s)?解析衰变后质量亏损为m226.025 4 u(2
16、22.016 3 u4.002 6 u)0.006 5 u放出的能量为E0.006 51.661027(2.997 9108)2 J9.701013 J设粒子的质量为m，速度大小为v，Rn的质量为M，速度大小为v1，由动量守恒定律和能量守恒定律有mvMv1，mv2MvE联立解得v m/s1.69107 m/s。答案9.701013 J1.69107 m/s1在下列判断中，正确的是()A组成U核的核子中任何两个核子之间都存在不可忽略的核力作用B组成U核的中子中任何两个中子之间都存在不可忽略的核力作用C组成U核的质子中任何两个质子之间都存在不可忽略的库仑斥力作用D组成U核的质子中任何两个质子之间都
17、存在不可忽略的核力作用C核力属于短程力，由于组成U核的核子较多，两核子之间的距离可能超过核力的作用范围，所以某些核子之间的作用力可能比较小，故选项A、B、D错误；但两质子之间都存在库仑斥力的作用，故选项C正确。2(多选)一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出光子，核反应方程是HnH，以下说法中正确的是()A反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和B反应前后的质量数不变，因而质量不变C反应前后质量数不变，但会出现质量亏损D光子的能量为mc2，m为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度ACD核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应中氘核的质量一定小于
18、反应前质子和中子的质量之和，所以质量不守恒，但质量数不变，且能量守恒，能量会以光子的形式向外释放，故A、C、D正确。3中子n、质子p、氘核D的质量分别为mn、mp、mD。现用光子能量为E的射线照射静止的氘核使之分解，反应的方程为Dpn，若分解后中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是()A(mDmpmn)c2EB(mDmnmp)c2EC(mDmpmn)c2ED(mDmnmp)c2EC因质量亏损产生的能量为E(mDmpmn)c2，设质子、中子的动能为Ek，根据能量守恒有EE2Ek，联立解得Ek，故A、B、D错误，C正确。4如图所示：图线表示原子核的平均结合能与质量数A的关系。问题探究：(1)重的原子核，是不是平均结合能就一定大？(2)什么样的原子核更稳定。提示：(1)不是，组成原子核的核子越多，它的平均结合能并不是越高。(2)平均结合能越大的原子核，其核子结合得越牢固，也越稳定。回归本节知识，自我完成以下问题：1核力的主要性质有哪些？提示：强相互作用力短程力饱和性与电荷无关2平均结合能与原子核的稳定关系如何？提示：平均结合能越大，原子核越稳定中等核子数的原子核，原子核较稳定3写出核能的计算公式提示：Emc2。