高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第三册第三节 核力与核反应方程教课课件ppt

第三节　核力与核反应方程

[核心素养·明目标]

知识点一　原子核的组成

1．原子：1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核时，发现了质子．断定质子是原子核的组成部分．

2．中子的发现

(1)卢瑟福预言原子核内应该存在着质量跟质子差不多的不带电的中性粒子，这种粒子称为中子．

(2)查德威克在用射线轰击铍时发现了中子．

3．原子核的组成．

(1)核子：原子核是由中子和质子组成的，组成原子核的中子和质子被统称为核子．

(2)原子核的符号：用X表示原子核的符号，其中X为元素符号，A表示质量数，Z表示电荷数．

　电荷数等于质子数等于原子序数，质量数等于质子数＋中子数等于核子数．

知识点二　核反应方程

1．核反应：利用天然放射性的高速粒子或人工加速的粒子去轰击原子核，以产生新的原子核，这个过程叫作核反应．

2．反应能：在核反应过程中，所放出或吸收的能量叫作反应能．

3．核反应规律：在核反应过程中，方程两边总的质量数和电荷数是守恒的．

如发现质子的核反应方程：N＋He―→O＋H.

发现中子的核反应方程：Be＋He―→C＋n.

　原子核在发生衰变时，电荷数和质量数总是守恒的．

知识点三　核力及四种基本相互作用

1．核力：组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，它使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起，这种力被称为核力．是一种短程力．

2．四种相互作用

(1)强相互作用：核力属于强相互作用．

(2)万有引力：重力是万有引力在地球表面附近的一种表现．

(3)电磁相互作用：指电荷间、磁体间的相互作用．

(4)弱相互作用：在原子核衰变中存在，是短程力．

　万有引力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．

知识点四　结合能

1．结合能：核子结合成原子核时放出的能量，把这个能量叫作原子核的结合能．

2．质量亏损：

(1)核子结合成原子核时，反应前后存在质量亏损．

(2)爱因斯坦的质能方程：

ΔE＝Δmc2式中ΔE为结合能，Δm为质量亏损．

3．比结合能：原子核的结合能与核子数之比被称为原子核的比结合能，也叫平均结合能．比结合能越大，原子核越稳定．

　中等大小的核比结合能最大、最稳定．

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在． (　　)

(2)卢瑟福在α粒子散射实验中发现了质子． (　　)

(3)原子核内的质子间均存在核力和库仑力． (　　)

(4)原子核的核子数越多，平均结合能越大． (　　)

[答案]　(1)√　(2)×　(3)×　(4)×

2．(多选)关于质子与中子，下列说法正确的是(　　)

A．原子核(除氢核外)由质子和中子组成

B．质子和中子统称为核子

C．卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在

D．卢瑟福发现了中子，并预言了质子的存在

ABC　[原子核(除氢核外)由质子和中子组成，质子和中子统称为核子，卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在，查德威克用α粒子轰击铍发现了中子，故ABC正确，D错误．]

3．下面关于结合能和平均结合能的说法中，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．平均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，重核的结合能和平均结合能都大

D．中等质量原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大

D　[核子结合成原子核时放出能量，原子核拆解成核子时吸收能量，A选项错误；平均结合能越大的原子核越稳定，但平均结合能越大的原子核，其结合能不一定越大，例如中等质量原子核的平均结合能比重核的平均结合能大，但由于它的核子数比重核的核子数小，其结合能反而比重核的结合能小，BC两项错误；中等质量原子核的平均结合能比轻核的平均结合能大，它的原子核内核子数又比轻核内的核子数大，因此它的结合能也比轻核的结合能大，D选项正确．]

考点1　原子核的组成

1．原子核的大小和组成

原子核

2．对核子数、电荷数、质量数的理解

(1)核子数：质子和中子质量差别非常微小，二者统称为核子，所以质子数和中子数之和叫核子数．

(2)电荷数(Z)：原子核所带的电荷等于质子电荷的整数倍，通常用这个数表示原子核的电荷量，叫作原子核的电荷数．

(3)质量数(A)：原子核的质量等于核内质子和中子的质量总和，而质子与中子质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫作原子核的质量数．

【典例1】　已知镭的原子序数是88，原子核的质量数是226.

试问：   

(1)镭核中质子数和中子数分别是多少？

(2)镭核的核电荷数和所带的电荷量分别是多少？

(3)若镭原子呈中性，它核外有几个电子？

[思路点拨]　(1)质子数＋中子数＝质量数．

(2)核电荷数＝质子数＝核外电子数＝原子序数．

[解析]　(1)镭核中的质子数等于原子序数，故质子数为88，中子数N等于原子核的质量数A与质子数Z之差，即N＝A－Z＝226－88＝138.

(2)镭核的核电荷数和所带的电荷量分别是

Z＝88，Q＝Ze＝88×1.6×10－19 C＝1.408×10－17 C．

(3)核外电子数等于核电荷数，故核外电子数为88.

[答案]　(1)88　138　(2)88　1.408×10－17 C　(3)88

原子核的“数”与“量”辨析技巧

(1)核电荷数与原子核的电荷量是不同的，组成原子核的质子的电荷量都是相同的，所以原子核的电荷量一定是质子电荷量的整数倍，我们把核内的质子数叫核电荷数，而这些质子所带电荷量的总和才是原子核的电荷量．

(2)原子核的质量数与质量是不同的，也与元素的原子量不同．原子核内质子和中子的总数叫作原子核的质量数，原子核的质量等于质子和中子的质量的总和．

1．一个Pa原子核内的质子数、中子数、核子数分别为(　　)

A．91　91　234　　 B．143　91　234

C．91　143　234 D．234　91　143

C　[原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子.Pa的原子序数为91，即质子数为91，核子数为234，中子数等于核子数减去质子数，即234－91＝143，故C正确，ABD错误．]

考点2　对结合能的理解

1．结合能与比结合能

结合能是原子核拆解成核子吸收的能量，而比结合能是原子核拆解成核子时平均每个核子吸收的能量．

2．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．

3．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2】　(多选)关于原子核的结合能与平均结合能，下列说法中正确的是(　　)

A．原子核的结合能等于核子与核子之间结合成原子核时核力做的功

B．原子核的结合能等于核子从原子核中分离，外力克服核力做的功

C．平均结合能是核子与核子结合成原子核时平均每个核子放出的能量

D．不同原子核的平均结合能不同，重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能大

[思路点拨]　(1)核子结合成原子核时释放的能量叫结合能；

(2)中等质量核的平均结合能最大．

ABC　[原子核中，核子与核子之间存在核力，要将核子从原子核中分离，需要外力克服核力做功．当自由核子结合成原子核时，核力将做功，释放能量．对某种原子核，平均每个核子的结合能称为平均结合能．不同原子核的平均结合能不同．重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能要小．综上所述，正确选项为ABC．]

(1)结合能大的原子核，比结合能不一定大，结合能小的原子核，比结合能不一定小．

(2)核的大小与原子核稳定的关系方面：中等大小核的比结合能最大、原子核最稳定．

2．(多选)不同原子核的平均结合能是不同的，中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的平均结合能要小，由此，可以确定，下列核反应能释放大量核能的是(　　)

A．中等质量的原子核结合成质量较大的重核

B．质量较大的重核分裂成中等质量的原子核

C．中等质量的原子核分裂成质量较小的轻核

D．质量较小的轻核结合成中等质量的原子核

BD　[两个中等质量的原子核结合成重核的过程中，核子的平均结合能减少，整个过程将要吸收能量，选项A错误；质量较大的重核分裂成中等质量的原子核，是上述过程的逆过程，显然是放出能量的，选项B正确；根据同样的方法可知，选项C错误，D正确．]

考点3　质能方程的理解

1．质量亏损

(1)科学家研究证明在核反应中原子核的总质量并不相等．例如，精确计算表明：氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些，这种现象叫作质量亏损，质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来．

(2)Δm是核反应前与核反应后的质量之差．

2．核反应中由于质量亏损而释放的能量ΔE＝Δmc2

爱因斯坦质能方程，物体的能量变化ΔE与物体的质量变化Δm的关系：ΔE＝Δmc2.

【典例3】　三个α粒子结合成一个碳C，已知碳原子的质量为12.000 0 u，氦原子的质量为4.002 6 u．(1 u＝1.66×10－27 kg)

(1)写出核反应方程；

(2)这个核反应放出的能量是多少焦？

(3)这个能量合多少MeV?

[思路点拨]　(1)写核反应方程时，左右两边质量数守恒，电荷数守恒；

(2)1 eV＝1.6×10－19 J是能量单位．

[解析]　(1)3He→C＋ΔE.

(2)Δm＝3×4.002 6 u－12.000 0 u＝0.007 8 u

Δm＝0.007 8×1.66×10－27 kg＝1.294 8×10－29 kg

ΔE＝Δmc2≈1.165×10－12 J.

(3)ΔE＝ eV≈7.28×106 eV＝7.28 MeV.

[答案]　(1)3He→C＋ΔE　(2)1.165×10－12 J　(3)7.28 MeV

核能的两种单位换算技巧

(1)若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2.

(2)若以原子单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×931.5 MeV.

(3)两种方法计算核能的单位分别为“J”和“MeV”，

1 MeV＝1×106×1.6×10－19 J＝1.6×10－13 J.

3．大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电．氘核聚变反应方程是：H＋H→He＋n.

已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u,1 u＝931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为(　　)

A．3.7 MeV　　　　 B．3.3 MeV

C．2.7 MeV D．0.93 MeV

B　[在核反应方程H＋H→He＋n中，反应前物质的质量m1＝2×2.013 6 u＝4.027 2 u，

反应后物质的质量m2＝3.015 0 u＋1.008 7 u＝4.023 7 u，质量亏损Δm＝m1－m2＝0.003 5 u.

则氘核聚变释放的核能为

ΔE＝931×0.003 5 MeV≈3.3 MeV，选项B正确．]

1．物理观念：核子、中子、质子及核反应、反应能．四种基本相互作用及结合能、爱因斯坦质能方程．

2．科学思维：能根据质量数和电荷数守恒写核反应方程，会利用ΔE＝Δmc2进行计算．

3．科学方法：实验法、观察法、图像法、计算法等．

1．下列关于核力的说法正确的是(　　)

A．核力同万有引力没有区别，都是物体间的作用

B．核力就是电磁力

C．核力是短程力，作用范围在2×10－15 m左右

D．核力与电荷有关

C　[核力是短程力，是强相互作用，作用范围在2×10－15 m左右，故C正确；核力与万有引力、电磁力不同，故AB错误；核力与电荷无关，故D错误．]

2．如图所示为查德威克研究原子核内部结构的实验示意图，由天然放射性元素钋(Po)放出α射线轰击铍(Be)时会产生粒子流a，用粒子流a轰击石蜡后会打出粒子流b，下列说法正确的是(　　)

A．a为质子，b为中子　 B．a为γ射线，b为中子

C．a为中子，b为γ射线 D．a为中子，b为质子

D　[α粒子轰击铍(Be)产生中子，中子轰击石蜡产生质子，故a为中子，b为质子，D正确．]

3．某放射性元素的原子核X连续经过三次α衰变和两次β衰变，若最后变成另外一种元素的原子核Y，则该新核的正确写法是(　　)

A．Y   B．Y

C．Y   D．Y

D　[新核的质量数为M′＝M－12，故A、B错误；电荷数Z′＝Z－6＋2＝Z－4，故C错误，D正确．]

4．核反应方程N＋H→C＋X＋ΔE中，N的质量为m1、H的质量为m2、C的质量为m3、X的质量为m4，光在真空中的速度为c，则下列判断正确的是(　　)

A．X是He，ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2

B．X是He，ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2

C．X是He，ΔE＝(m3＋m4－m1－m2)c2

D．X是He，ΔE＝(m3＋m4－m1－m2)c2

B　[根据核反应方程中质量数和电荷数守恒，有X的质量数A＝15＋1－12＝4，电荷数Z＝7＋1－6＝2，所以X为He，该反应过程中质量亏损为Δm＝m1＋m2－m3－m4，所以释放的核能为ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2，B正确．]

5．已知：1个质子的质量mp＝1.007 277 u,1个中子的质量mn＝1.008 665 u，氘核的质量为2.013 553 u，由此计算一个中子和一个质子结合成氘核时释放的核能．

[解析]　中子和质子的质量和为

mn＋mp＝1.008 665 u＋1.007 277 u＝2.015 942 u，

质量亏损Δm＝2.015 942 u－2.013 553 u＝0.002 389 u，

1 u的质量亏损所释放的能量为931.5 MeV，

则释放的核能ΔE＝0.002 389×931.5 MeV≈2.23 MeV.

[答案]　2.23 MeV