思易學教育-選修3-5第十九章第5-8節(jié)核力與結(jié)合能;重核的裂變;核聚變;粒子和宇宙.doc

年 級高三學 科物理版 本人教實驗版內(nèi)容標題第十九章 原子核 第58節(jié) 編稿老師楊義【本講教育信息】一. 教學內(nèi)容：選修35第十九章 原子核 第五節(jié) 核力與結(jié)合能第六節(jié) 重核的裂變第七節(jié) 核聚變第八節(jié) 粒子與宇宙二. 知識內(nèi)容（一）核力與結(jié)合能1. 核力：（1）原子核里的核子間有第三種相互作用存在，即核力。是核力把核子緊緊束縛在核內(nèi)。（2）特點： 核力是強相互作用（強力）的一種表現(xiàn)，在原子核的尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多。 核力是短程力，作用范圍在1.510-15m之內(nèi)。 每個核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用，這種性質(zhì)稱為核力的飽和性。2. 四種基本相互作用（1）萬有引力；（2）電磁力；以上兩種力都屬于長程力；（3）核力；（4）弱相互作用（弱力）；以上兩種力都屬于短程力。3. 原子核中質(zhì)子與中子的比例：自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對于較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多4. 結(jié)合能：（1）定義：原子核是核子結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能.（2）比結(jié)合能：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能，也叫平均結(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，中等大小的核的比結(jié)合能最大。5. 質(zhì)量虧損：（1）質(zhì)能方程：物體的能量與它的質(zhì)量之間的關(guān)系是： （2）質(zhì)量虧損：原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和，這個現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損，質(zhì)量虧損表明，的確存在著原子核的結(jié)合能。由a個質(zhì)子和b個中子結(jié)合成質(zhì)量為mD的原子核其質(zhì)量虧損為：m = amp + bmn mD根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程式可知，這些核子在結(jié)合成原子核過程放出的能量（數(shù)值上等于該原子的結(jié)合能）：E =m c2 = （amp + bmn mD）c2（二）重核的裂變1. 核裂變（1）定義：鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊，弗里施把這類核反應(yīng)定名為原子核的裂變。 （2） 核裂變的特點： 裂變過程中能夠放出巨大的能量； 裂變的同時能夠放出23（或更多個）中子； 裂變的產(chǎn)物不是唯一的。對于鈾核裂變有二分裂、三分裂和四分裂形式，但三分裂和四分裂概率比較小典型的分裂方程： （3）鏈式反應(yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程。通常把裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的最小體積叫做它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量。2 核反應(yīng)堆：（1）費米主持建立了世界上第一個稱為“核反應(yīng)堆”的裝置；（2）在核反應(yīng)堆中，為了使快中子速度減慢，在鈾棒周圍要放“慢化劑”；（3）為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒。（三）核聚變1. 核聚變（1）定義：兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫做聚變。聚變后比結(jié)合能增加，因此反應(yīng)中會釋放能量。（2）氫核聚變的核反應(yīng)方程：（需要幾百萬度高溫，所以又叫熱核反應(yīng)） （3）應(yīng)用： 熱核反應(yīng)主要應(yīng)用在核武器上，如氫彈。 在太陽內(nèi)部，氫核聚變成氦核的反應(yīng)不停地進行著，不斷地放出熱量。2. 受控熱核反應(yīng)的優(yōu)點： 輕核聚變產(chǎn)能效率高，也就是說，相同質(zhì)量的核燃料，反應(yīng)中產(chǎn)生的能量比較多。 地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富。 輕核聚變更為安全、清潔。（四）粒子與宇宙1. 粒子的分類（1）強子：強子是參與強相互作用的粒子。質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強子，強子又分為介子和重子兩類。（2）輕子：輕子是不參與強相互作用的粒子。最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子。（3）媒介子：媒介子是傳遞各種相互作用的粒子。2. 夸克模型：（1）夸克模型認為，強子由更基本的成分組成，這種成分叫做夸克。（2）夸克的分類：目前發(fā)現(xiàn)的夸克共有6種分別是，上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克，且它們都存在反夸克。夸克不能以自由狀態(tài)單個現(xiàn)出（禁閉性）。夸克模型指出電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分數(shù)電荷。3. 宇宙演化：“粒子家族”大爆炸后1044 s，溫度1032K，產(chǎn)生夸克、輕子、膠子強子時間（大爆炸后106 s，溫度1013K，夸克構(gòu)成質(zhì)子和中子等強子） 輕子時代（溫度1011K，少量夸克，大量光子、中微子和電子等輕子存在）核合成時代（溫度109K，質(zhì)子、中子結(jié)合成氘核）混合電離氣體時期（溫度104K，電子、質(zhì)子和氦核混合電離氣體）中性粒子期（溫度3000K，電子與質(zhì)子復合成中性氫氣）恒星、星系期（繼續(xù)冷卻，質(zhì)子、電子、原子等與光子分離逐步組成恒星和星系）。4. 恒星的演化：宇宙塵埃星云團恒星三. 重點、難點解析核能的計算是原子物理的重要方面和高考的熱點問題，其基本方法是： （1）根據(jù)質(zhì)量虧損計算，步驟如下： 根據(jù)核反應(yīng)方程，計算核反應(yīng)前和核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損m。 根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程或E =mc2計算核能。 計算過程中m的單位是千克，E的單位是焦耳。（2）利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特計算。 明確原子單位u和電子伏特間的關(guān)系由1u=1.660610-27kg，leV=1.610-19J。得=931.5MeV。 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)乘以931.5MeV，即：E=m93l.5MeV。 上式中，m的單位是u，E的單位是MeV。（3）利用平均結(jié)合能來計算核能原子核的結(jié)合能=核子的平均結(jié)合核能核子數(shù)，核反應(yīng)中反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的所有新核的總結(jié)合能之差，就是該次核反應(yīng)所釋放（或吸收）的核能。（4）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，在題給條件中沒有涉及質(zhì)量虧損，或者核反應(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，從動量和能量守恒可以計算出核能的變化。（5）應(yīng)用阿伏伽德羅常數(shù)計算核能若要計算具有宏觀質(zhì)量的物質(zhì)中所有原子核都發(fā)生核反應(yīng)所放出的總能量，應(yīng)用阿伏伽德羅常數(shù)計算核能較為簡便。 根據(jù)物體的質(zhì)量m和摩爾質(zhì)量M由求出摩爾數(shù)，并求出原子核的個數(shù)：N=NAn=。 由題設(shè)條件求出一個原子核與另一個原子核反應(yīng)放出或吸收的能量E0（或直接從題目中找出E0）。 再根據(jù)E=NE0求出總能量。【典型例題】例1 下列說法中正確的是（ ）A. 愛因斯坦質(zhì)能方程反映了物體的質(zhì)量就是能量，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化B. 由可知，能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系，可以用物體的質(zhì)量作為它所蘊藏的能量的量度 C. 核反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)的“質(zhì)量虧損”是消失的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成為能量 D. 因在核反應(yīng)中能產(chǎn)生能量，有質(zhì)量的轉(zhuǎn)化，所以系統(tǒng)只有質(zhì)量數(shù)守恒，系統(tǒng)的總能量和總質(zhì)量并不守恒解析：說明能量和質(zhì)量之間存在著聯(lián)系，即能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系，并不是說明了能量和質(zhì)量之間存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，故A項錯誤。而B項正確。核反應(yīng)中的“質(zhì)量虧損”并不是質(zhì)量消失，實際上是由靜止的質(zhì)量變成運動的質(zhì)量，并不是質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量，故C項錯誤。在核反應(yīng)中，質(zhì)量守恒，能量也守恒，在核反應(yīng)前后只是能量的存在方式不同，總能量不變，在核反應(yīng)前后只是物質(zhì)由靜質(zhì)量變成動質(zhì)量，故D錯誤。答案：B點評：本題易錯解為A、D。錯解分析認為質(zhì)能方程反映了物體質(zhì)量就是能量，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化，故認為A正確。由于在核反應(yīng)中有能量產(chǎn)生且伴隨著質(zhì)量虧損，就錯誤地認為有質(zhì)量的轉(zhuǎn)化，認為在反應(yīng)前后總能量不守恒，總質(zhì)量亦不守恒，故認為D正確。例2 蒙德戴維斯因研究來自太陽的電子中微子（v。）而獲得了2002年度諾貝爾物理學獎。他探測中微子所用的探測器的主體是一個貯滿615t四氯乙烯（C2Cl4）溶液的巨桶。電子中微子可以將一個氯核轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€氫核，其核反應(yīng)方程式為： eCl Ar十e已知Cl核的質(zhì)量為36.95658 u，Ar核的質(zhì)量為36.95691 u，e的質(zhì)量為0.00055 u，1 u質(zhì)量對應(yīng)的能量為931.5MeV，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以判斷參與上述反應(yīng)的電子中微子的最小能量為（ ）A. 0.82 Me V B. 0.31 MeV C. 1.33 MeV D. 0.51 MeV解析：由題意可得：電子中微子的能量E=mc2=（mAr+me-mCl）931.5MeV=（36.95691+0.00055-36.95658）931.5MeV=0.82MeV則電子中微子的最小能量為Emin=0.82MeV點評：應(yīng)用愛因斯坦質(zhì)能方程時，注意單位的使用。當用kg單位，c用m/s時，單位是J，也可像本題利用1 u質(zhì)量對應(yīng)的能量為931.5MeV。例3 已知氘核質(zhì)量為2.0136 u，中子質(zhì)量為1.0087 u，的質(zhì)量為3.0150 u，兩個氘核聚變成并放出一個中子，若兩個氘核以相等的動能0.35 MeV做對心碰撞即可發(fā)生上述核反應(yīng)，且釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為機械能，則反應(yīng)中生成的和中子的動能各是多少兆電子伏？（質(zhì)量虧損為1 u時，釋放的能量為931.5 MeV）解析：核反應(yīng)方程為+ 由題給條件可求出質(zhì)量虧損為：m=2.01362 u（3.0150+1.0087） u=0.0035 u 釋放的核能為E=mc2=931.50.0035 MeV=3.26 MeV 因為該反應(yīng)中釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為機械能，即轉(zhuǎn)化為核和中子的動能，設(shè)和中子的質(zhì)量分別為m1、m2，速度分別為v1、v2，反應(yīng)后動能分別為E1、E2 ，則由動量守恒及能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律，得m1v1m2v2=0 E1+E2=2E0+E 解得：E1=（2E0+E）/4=（20.35+3.26）/4 MeV=0.99 MeV E2=3（2E0+E）/4=2.97 MeV例4 受中子轟擊時會發(fā)生裂變，產(chǎn)生和，同時放出200MeV的能量，現(xiàn)在要建設(shè)發(fā)電能力是50萬千瓦的核電站，用鈾235作為原子鍋爐的燃料。假設(shè)核裂變釋放的能量全部被用來發(fā)電，那么一天需要純鈾235的質(zhì)量為多大？（NA =6.021023個/摩爾）解析：核電站每一天的發(fā)電量為：E=Pt=50104103243600J=4.321013J由題意可知，核電站一天的發(fā)電量就等于發(fā)電站在一天時間內(nèi)鈾235裂變所釋放的總能量，故核電站每天所消耗的鈾235的個數(shù)為：所以發(fā)電站每一天需要的鈾235的質(zhì)量為：例5 核聚變能是一種具有經(jīng)濟性能優(yōu)越、安全可靠、無環(huán)境污染等優(yōu)勢的新能源。近年來，受控核聚變的科學可行性已得到驗證，目前正在突破關(guān)鍵技術(shù)，最終將建成商用核聚變電站。一種常見的核聚變反應(yīng)是由氫的同位素氘（又叫重氫）和氚（又叫超重氫）聚合成氦，并釋放一個中子了。若已知氘原子的質(zhì)量為2.0141u，氚原子的質(zhì)量為3.0160u，氦原子的質(zhì)量為4.0026u，中子的質(zhì)量為1.0087u，1u=1.6610-27kg。 寫出氘和氚聚合的反應(yīng)方程。 試計算這個核反應(yīng)釋放出來的能量。 若建一座功率為3.0105kW的核聚變電站，假設(shè)聚變所產(chǎn)生的能量有一半變成了電能，每年要消耗多少氘的質(zhì)量？（一年按3.2107s計算，光速c=3.00108m/s，結(jié)果取二位有效數(shù)字）解析：（1） （2）E=mc2=（2.0141+3.0160-4.0026-1.0087）1.6610-27321016J=2.810-12J （3）M=23kg例6 天文學家測得銀河系中氦的含量約為25%。有關(guān)研究表明，宇宙中氦生成的途徑有兩條：一是在宇宙誕生后2分鐘左右生成的；二是在宇宙演化到恒星誕生后，由恒星內(nèi)部的氫核聚變反應(yīng)生成的。（1）把氫核聚變就簡化4個氫核（H）聚變成氦核（He），同時放出2個正電子（e）和2個中微子（0），請寫出該氫核聚變反應(yīng)的方程，并計算一次反應(yīng)釋放的能量。（2）研究表明，銀河系的年齡約為t=3.81017s，每秒銀河系產(chǎn)生的能量約為11037J（P11037J/s），現(xiàn)假定該能量全部來自上述氫核聚變反應(yīng)，試估算銀河系中氦的含量（最后結(jié)果保留一位有效數(shù)字）（3）根據(jù)你的估算結(jié)果，對銀河系中氦的主要、生成途徑作出判斷。（可能用到的數(shù)據(jù)：銀河系的質(zhì)量約為M311041kg，原子質(zhì)量單位1u1.6610kg，1u相當于1.510J的能量，電子質(zhì)量m0.0005u，氦核質(zhì)量m4.0026u，氫核質(zhì)量mp1.0087u，中微子0質(zhì)量為零。解析：（1）4HHe2e20 mc24.1410J（2）m6.11039kg ， 氦的含量 k2%（3）由估算結(jié)果可知，k2%遠小于25%的實際值，所以銀河系中的氦主要是宇宙誕生后不久生成的例7 已經(jīng)證實，質(zhì)子、中子都是由上夸克和下夸克的兩種夸克組成的，上夸克帶電為，下夸克帶電為-，e為電子所帶電量的大小，如果質(zhì)子是由三個夸克組成的，且各個夸克之間的距離都為l，l=1.510-15m，試計算質(zhì)子內(nèi)相鄰兩個夸克之間的靜電力（庫侖力）。解析：質(zhì)子帶電為+e，所以它是由2個上夸克和1個下夸克組成的，按題意，三個夸克必位于等邊三角形的三個頂點處，這時上夸克與上夸克之間的靜電力應(yīng)為：代入數(shù)值，得 Fm=46N，為斥力。上夸克與下夸克之間的靜電力為：代入數(shù)值，得 Fnd=23N，為吸力。 例8 如圖所示，有界勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B，區(qū)域足夠大，方向垂直于紙面向里，直角坐標系xoy的y軸為磁場的左邊界，A為固定在x軸上的一個放射源，內(nèi)裝鐳核（）沿著與+x成角方向釋放一個粒子后衰變成氡核（）。粒子在y軸上的N點沿方向飛離磁場，N點到O點的距離為l，已知OA間距離為，粒子質(zhì)量為m，電荷量為q，氡核的質(zhì)量為 求：（1）寫出鐳核的衰變方程；（2）如果鐳核衰變時釋放的能量全部變?yōu)榱Ｗ雍碗焙说膭幽?，求一個原來靜止的鐳核衰變時放出的能量。解析：（1）鐳核衰變方程為：（2）鐳核衰變放出粒子和氡核，分別在磁場中做勻速圓周運動，粒子射出軸時被粒子接收器接收，設(shè)粒子在磁場中的軌道半徑為R，其圓心位置如圖中點，有，則 粒子在磁場中做勻速圓周運動，有，即，粒子的動能為 衰變過程中動量守恒，則氡核反沖的動能為 點評：要熟練掌握核反應(yīng)方程，動量守恒定律，帶電粒子在勻強磁場中的圓周運動規(guī)律的綜合運用?！灸M試題】（答題時間：60分鐘）1. 對于下述四個核反應(yīng)方程說法中正確的有（ ） 能量 A. 是發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程B. 是鏈式反應(yīng)方程C. 是核裂變方程，其中x=10D. 是衰變方程，其中Y是質(zhì)子2. 關(guān)于質(zhì)能方程E=mc2，下列說法正確的是（）A. 質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化。B. 物體的核能可以用mc2表示。C. mc2是物體的蘊藏能量的總和。D. 當物體向外釋放能量時，其質(zhì)量必然減少，且減少的質(zhì)量m與釋放的能量E滿足E=mc2。3. 太陽能是由于太陽內(nèi)部高溫高壓條件下的熱核聚變反應(yīng)形成的，其核反應(yīng)方程是（ ）A. B.C. D. 4. 設(shè)質(zhì)子、中子、氘核的質(zhì)量分別為m1、m2和m3，那么，當一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成一個氘核時，釋放的能量是（ ）A. mc2B.（m1+m2）c2C.（m3-m2-m1）c2D.（m1+m2-m3）c25. 靜止的氡核Rn放出粒子后變成釙核Po，粒子動能為E。若衰變放出的能量全部變?yōu)榉礇_核和粒子的動能，真空中的光速為c，則該反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為（ ） A. B. 0 C. D. 6. 當兩個中子和兩個質(zhì)子結(jié)合成一個粒子時，放出28.30MeV的能量，當三個粒子結(jié)合成一個碳核時，放出7.26MeV的能量，則當6個中子和6個質(zhì)子結(jié)合成一個碳核時，釋放的能量約為（ ）A. 21.04MeV B. 35.56MeV C. 77.64MeV D. 92.16MeV7. 關(guān)于原子核，下列說法中正確的是（ ）A. 原子核能發(fā)生衰變說明原子核內(nèi)存在電子B. 核反應(yīng)堆利用鎘棒吸收中子控制核反應(yīng)速度C. 輕核的聚變反應(yīng)可以在任何溫度下進行D. 一切核反應(yīng)都能釋放核能8. 已知+介子、介子都是由一個夸克（夸克u或夸克d）和一個反夸克（反夸克或反夸克）組成的，它們的帶電量如下表所示，表中e為元電荷。+ud帶電量+ee+下列說法正確的是（ ）A. +由u和組成 B. +由d和組成C. 由u和組成 D. 由d和組成9. 下列關(guān)于原子結(jié)構(gòu)和原子核的說法正確的是（ ）A. 盧瑟福在粒子散射實驗的基礎(chǔ)上提出了原子的核式結(jié)構(gòu)B. 天然放射性元素在衰變過程中電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，其放射線在磁場中不偏轉(zhuǎn)的是射線C. 據(jù)圖可知，原子核A裂變變成原子核B和C要放出核能 D. 據(jù)圖可知，原子核D和E聚變成原子核F要吸收核能10. 關(guān)于鈾核裂變，下列說法中正確的是（ ）A. 鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，但只能裂變成兩塊B. 鈾核裂變時還能同時放出23個中子C. 為了使裂變的鏈式反應(yīng)容易發(fā)生，最好用純鈾235D. 鈾塊的體積對于產(chǎn)生鏈式反應(yīng)無影響11. 原子反應(yīng)堆是實現(xiàn)可控制的重核裂變鏈式反應(yīng)的一種裝置，它主要有哪四部分組成（ ）A. 原于燃料、減速劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)。B. 原子燃料、減速劑、發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)。C. 原子燃料、調(diào)速劑、碰撞系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)。D. 原子燃料、中子源、原子能聚存系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)。12. 中子n、質(zhì)子p、氘核D的質(zhì)量分別為mn、mp、mD現(xiàn)用光子能量為E的射線照射靜止氘核使之分解，反應(yīng)的方程為+D=p+n，若分解后中子、質(zhì)子的動能可視為相等，則中子的動能是（ ）A. （mD-mp-mn）c2-E B. （mD+mn-mp）c2+EC. （mD-mp-mn）c2+E D. （mD+mn-mp）c2-E13. “軌道電子俘獲”是放射性同位素衰變的一種形式，它是指原子核（稱為母核）俘獲一個核外電子，使其內(nèi)部的一個質(zhì)子變?yōu)橹凶?，并放出一個中微子，從而變成一個新核（稱為子核）的過程。中微子的質(zhì)量遠小于質(zhì)子的質(zhì)量，且不帶電，很難被探測到，人們最早就是通過核的反沖而間接證明中微子的存在的，一個靜止的原子核發(fā)生“軌道電子俘獲”，衰變?yōu)樽雍瞬⒎懦鲋形⒆?，下面說法正確的是（ ）A. 母核的質(zhì)量數(shù)等于子核的質(zhì)量數(shù) B. 母核的電荷數(shù)大于子核的電荷數(shù)C. 子核的動量與中微子的動量相同 D. 子核的動能大于中微子的動能14. 為確定愛因斯坦的質(zhì)能方程的正確性，設(shè)計了如下實驗：用動能為0MeV的質(zhì)子轟擊靜止的鋰核，生成兩個粒子，測得兩個粒子的動能之和為MeV，已知質(zhì)子、粒子、鋰粒子的質(zhì)量分別取、，