山东省专用2019_2020学年高中物理第十九章原子核第5节核力与结合能讲义含解析新人教版选修3_5.pdf
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1、第 5 节核力与结合能第 5 节核力与结合能 1.原子核内相邻核子之间的作用力叫核力,把原子核内 核子分开所需要的能量叫结合能。 2结合能与核子数之比叫比结合能。比结合能越大,原 子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。 3原子核的质量小于组成它的核子的质量之和,这个现 象叫做质量亏损。 一、核力与四种基本相互作用 1核力 (1)定义:原子核里的核子间的相互作用力。 (2)作用:把核子紧紧地束缚在核内,形成稳定的原子核。 2核力的特点 (1)核力是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 0.81015 m
2、,小于 1.51015 m 的范围内表现为吸引力,在小于 0.81015 m 时表现为斥力。 (3)每个核子只跟邻近的核子发生核力作用,这种性质称为核力的饱和性。 3四种基本相互作用 二、原子核中质子与中子的比例 1较轻原子核:质子数和中子数大致相等。 2较重原子核:中子数大于质子数,越重的原子核两者相差越多。 三、结合能与质量亏损 1结合能 原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开,也需要能量,这就是原子核 的结合能。 2比结合能 原子核的结合能与核子数之比,称做比结合能,也叫平均结合能。比结合能越大,表示 原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。中等大小的核的比结合能最大,最稳定
3、。 3质能方程 物体的能量与它的质量的关系是:Emc2。 4质量亏损 原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。 1自主思考判一判 (1)原子核中粒子所受的万有引力和电磁力可以达到平衡。() (2)核力是强相互作用,在任何情况下都比库仑力大。() (3)弱相互作用是引起原子核 衰变的原因。() (4)原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量。() (5)比结合能越大,原子核越稳定。() (6)质能方程Emc2表明了质量与能量间的一种对应关系。() 2合作探究议一议 (1)质子之间存在库仑力,质子与中子、中子与中子之间没有库仑力,那么是不是质子之 间存在核力,质子与中子、中子与中子之间
4、没有核力? 提示:不是。核力是短程力,存在于相邻的核子之间,无论是质子之间、质子与中子之 间还是中子之间,都存在核力。 (2)为什么核电荷数越多的原子核越不稳定? 提示:核电荷数越多的原子核中,有些核子之间的距离越来越大,随着距离增大,核力 和质子间的斥力都减小,但核力减小得更快,当原子核大到一定程度时,核力会小于质子间 的斥力,原子核就不稳定了。 (3)有人认为质量亏损就是核子的个数变少了,这种认识对不对? 提示:不对。在核反应中质量数守恒即核子的个数不变,只是核子组成原子核时,仿佛 变“轻”了一些,原子核的质量总是小于其全部核子质量之和,即发生了质量亏损,核子的 个数并没有变化。 核力的性
5、质与原子核中质子与中子的比例 1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 0.81015 m 时为引力,距 离小于 0.81015 m 时为斥力,距离为 1.51015 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。 2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
6、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 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
7、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 解答本题时应注意以下两点: (1)轻核中质子数与中子数大致相等,重核中中子数大于质子数。 (2)由于核力是短程力,原子核的大小有一定的限制。 解析 由稳定核的质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;原子核可以发生衰变,故 C 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 D 正确。 答案 D 记忆核力特点技巧 (1)核子包括质子和中子,而中子不带电,所以核力与电荷无关。 (2)原子核非常小
8、,所以核力属于短程力。 (3)质子间的核力比库仑力大得多,属于强相互作用力。 1氦原子核由两个质子与两个中子组成,这两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核 力,则 3 种力从大到小的排列顺序是( ) A核力、万有引力、库仑力 B万有引力、库仑力、核力 C库仑力、核力、万有引力 D核力、库仑力、万有引力 解析:选 D 本题考查核子间作用力的大小。核子间的核力最大,万有引力最小,D 项正 确。 2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不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 解析:选 D 由于原子核带正电,不存在只有
9、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, A、 B 错误;自然界中存在只有一个质子的原子核,如 H,C 错误;较大质量的原子核内只有存在一 1 1 些中子,才能削弱库仑力,维系原子核的稳定,故 D 正确。 3激光中子是由重原子核吸收光子后发射中子而产生的,光子的极限能量大约是 10 MeV。假定中子从原子核上向外移开距离 1013 cm 所受的力保持不变,则平均核力的数量级是 ( ) A103 N B10 N C103 N D无法计算 解析:选 C 核力是一种很强的力,应存在于相邻的核子之间,作用范围在 1.51
10、015 m 之内,由题意知 :FdWE,则F N1.6103 N,故选项 C 10 106 1.6 1019 1013 102 正确。 结合能、比结合能与原子核的稳定性 1结合能 要把原子核分开成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量。 2比结合能 等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比值,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
11、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。 1下列关于结合能和比结合能的说法正确的是( ) 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
12、等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大 解析:选 D 核子结合成原子核放出的能量或原子核拆解成核子吸收的能量称为结合能, 故 A 错误;比结合能越大的原子核越稳定,它的结合能还和核子的数量有关,故 B 错误;重 核与中等质量原子核相比较,重核的结合能大,重核的比结合能比中等核的小,故 C 错误; 中等质量原子核的比结合能和结合能比轻核的都大,故 D 正确。 2如图所示是原子核的平均核子质量A与原子序数Z的关系图像,下列说法正确的是 ( ) A若D、E能结合成F,结合过程一定要释放能量 B若D、E能结合成F,结合过程一定要吸收能量 C若C、B能结合成A,结合过程一定要释放能量 D若F、C能
13、结合成B,结合过程一定要释放能量 解析:选 A D、E平均核子质量大于F平均核子质量,D、E结合成F,出现质量亏损, 要释放能量, A 对 B 错 ;C、B结合成A,F、C结合成B都是质量增加, 结合过程要吸收能量, C、 D 错。 3 一 个 中 子 与 某 原 子 核 发 生 核 反 应 , 生 成 一 个 氘 核 , 其 核 反 应 方 程 式 为 _。该反应放出的能量为 Q,则氘核的比结合能为_。 解析:方程式: n H H 1 01 12 1 核子结合成原子核要放出能量,这个能量叫原子核的结合能。它的结合能与核子数之比, 称作比结合能,由题意知氘核的核子数为 2,所以比结合能为 。
14、Q 2 答案: n H H 1 01 12 1 Q 2 对质量亏损和质能方程的理解 1质量亏损 所谓质量亏损,并不是质量消失,减少的质量在核子结合成原子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。总之,物体的能量和质量之间存在着密切的联系,它们之间的关系就是E mc2。 2质能方程Emc2 (1)质能方程说明,一定的质量总是跟一定的能量相联系的。具体地说,一定质量的物体 所具有的总能量是定的,等于光速的平方与其质量之积,这里所说的总能量,不是单指物 体的动能、核能或其他哪一种能量,而是物体所具有的各种能量的总和。 (2
15、)根据质能方程,物体的总能量与其质量成正比。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,这时质能方程也写作 Emc2。 (3)质能方程的本质: 质量或能量是物质的属性之一, 决不能把物质和它们的某一属性(质量和能量)等同起来 ; 质能方程揭示了质量和能量的不可分割性,方程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决不等于这两个量可以 相互转化; 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核能的计算方
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