1核力與結(jié)合能學(xué)案

第十九章原子核§核力與結(jié)合能學(xué)案一．學(xué)習(xí)目標(biāo)1．知道核力的概念、特點(diǎn)及自然界存在的四種基本相互作用；2．知道穩(wěn)定原子核中質(zhì)子與中子的比例隨著原子序數(shù)的增大而減??；3．理解結(jié)合能的概念，知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損；4．知道愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程，理解質(zhì)量與能量的關(guān)系。二．重點(diǎn)難點(diǎn)1.重點(diǎn)：質(zhì)量虧損及愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程的理解2.難點(diǎn)：結(jié)合能的概念、愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程、質(zhì)量與能量的關(guān)系三．學(xué)法指導(dǎo)在核反應(yīng)時(shí)，可以產(chǎn)生較大一些的質(zhì)量虧損，從而使人類(lèi)獲得了大得多的能量，這里的變化屬于原子核的變化，相應(yīng)的能量稱(chēng)作原子核能。換句話說(shuō)，即物體貯藏的能量是巨大的。迄今為止，人類(lèi)所利用的能量還只是很小的一部分，如果人類(lèi)在探索中能掌握新的方式，以產(chǎn)生更大的質(zhì)量虧損，也就必然能夠獲得更為可觀的能量，這對(duì)解決人類(lèi)的能源危機(jī)具有重要意義。培養(yǎng)學(xué)生的理解能力、推理能力、及數(shù)學(xué)計(jì)算能力。使學(xué)生樹(shù)立起實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)理論對(duì)實(shí)踐有著指導(dǎo)和預(yù)見(jiàn)作用的能力；認(rèn)識(shí)開(kāi)發(fā)和利用核能對(duì)解決人類(lèi)能源危機(jī)的重要意義。首先把本節(jié)課的內(nèi)容認(rèn)真的看一遍，最后完成本學(xué)案。四．自主學(xué)習(xí)1．核力與四種基本相互作用20世紀(jì)初人們只知道自然界存在著兩種力：一種是力，另一種是力。在相同的距離上，這兩種力的強(qiáng)度差別很大。電磁力大約要比萬(wàn)有引力強(qiáng)1036倍。核力有怎樣特點(diǎn)呢?（1）核力是。（2）核力是。（3）核力存在于之間，每個(gè)核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，這種性質(zhì)稱(chēng)為核力的性。2．原子核中質(zhì)子與中子的比例隨著原子序數(shù)的增加，較輕的原子核數(shù)與數(shù)大致相等，但對(duì)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。若質(zhì)子與中子成對(duì)地人工構(gòu)建原子核，隨原子核的增大，核子間的增大，核力和電磁力都會(huì)，但核力減小得更。所以當(dāng)原子核增大到一定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫(kù)侖力，這個(gè)原子核就不了；若只增加中子，中子與其他核子沒(méi)有庫(kù)侖斥力，但有相互的力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)定，所以穩(wěn)定的重原子核中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)。由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，若再增大原子核，一些核子間的距離會(huì)大到其間恨本沒(méi)有核力的作用，這時(shí)候再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的。因此只有200多種穩(wěn)定的原子核長(zhǎng)久地留了下來(lái)。3．結(jié)合能由于核子間存在著強(qiáng)大的核力，原子核是一個(gè)堅(jiān)固的集合體。要把原子核拆散成核子，需要克服核力做，或者需要巨大的能量。要把，這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能.原子核越大，它的結(jié)合能越,因此之比，稱(chēng)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.4．質(zhì)量虧損（1）質(zhì)量虧損科學(xué)家研究證明在核反應(yīng)中原子核的總質(zhì)量并不相等，例如精確計(jì)算表明：氘核的質(zhì)量比一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量之和要小一些，這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損，質(zhì)量虧損只有在中才能明顯的表現(xiàn)出來(lái).（2）愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程相對(duì)論指出，物體的能量（E）和質(zhì)量（m）之間存在著密切的關(guān)系，即E＝式中，c為真空中的光速。愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程表明：物體所具有的能量跟它的成正比。由于c2這個(gè)數(shù)值十分巨大，因而物體的能量是十分可觀的。（3）核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量物體貯藏著巨大的能量是不容置疑的，但是如何使這樣巨大的能量釋放出來(lái)？從愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程同樣可以得出，物體的能量變化△E與物體的質(zhì)量變化△m的關(guān)系：△E=.注意以下幾點(diǎn)：①物體的質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，質(zhì)量虧損指的是靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量有關(guān)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。②質(zhì)量虧損并不是這部分質(zhì)量消失或轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?，只是靜止質(zhì)量的減少。③在核反應(yīng)中仍然遵守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律;④質(zhì)量只是物體具有能量多少及能量轉(zhuǎn)變多少的一種量度。五．典型例題例1利用愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程和能量守恒定律來(lái)看核反應(yīng)過(guò)程中的質(zhì)量守恒。解析：設(shè)原子核A和粒子B發(fā)生核反應(yīng)，生成C、D，各粒子的靜止質(zhì)量和動(dòng)能分別為mi和Eki(i=1、2、3、4)Ａ＋Ｂ→Ｃ＋Ｄ靜質(zhì)量m1m動(dòng)能Ek1Ek2Ek3EK4根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程各粒子所蘊(yùn)含的除動(dòng)能之外的能量為mic2,那么各粒子總能量Ｅi＝mic2＋Ｅki由能量守恒，反應(yīng)前總能量等于反應(yīng)后總能量。即（m1c2+Ek1）+(m2c2+Ek2)=(m3c2+Ek3)+(m4c將上式兩邊除c2：（m1+）＋（m2+）＝（m3+）＋(m4+)（※）由上式于是引出mi1=mi+，mi1是總質(zhì)量，包括兩部分mi和，其中是因運(yùn)動(dòng)才具有，故稱(chēng)為動(dòng)質(zhì)量，那么總質(zhì)量=靜質(zhì)量+動(dòng)質(zhì)量，（※）式可寫(xiě)成：m11+m21=m31+m41上式可見(jiàn)核反應(yīng)前后質(zhì)量不變是指各粒子的總質(zhì)量守恒，即各粒子的靜質(zhì)量和動(dòng)質(zhì)量之和不變，它是由自然界普遍規(guī)律能量守恒定律推出。例2以?xún)蓚€(gè)氘核聚變?yōu)槔f(shuō)明：原子核反應(yīng)中的質(zhì)量守恒與計(jì)算核能時(shí)所談的質(zhì)量虧損并不矛盾，解析：兩個(gè)氘核聚變，生成32He和一個(gè)中子1on，放出Mev能量，這個(gè)能量以γ光子的形式輻射出去，其核反應(yīng)方程是：21H+21H→32He+1on。其中氘核質(zhì)量mH=，氦核質(zhì)量mHe=,中子的質(zhì)量mn=，γ光子的動(dòng)質(zhì)量m1n==u=(1uc2=21H+21H—→32He+1on+γMev)反應(yīng)前總質(zhì)量：+=反應(yīng)后總質(zhì)量：++=由此可見(jiàn)反應(yīng)前后總質(zhì)量（即動(dòng)質(zhì)量與靜質(zhì)量之和）不變。若不考慮動(dòng)質(zhì)量，γ光子的質(zhì)量為0，則反應(yīng)前后靜質(zhì)量虧損：△m=2×+=但要注意靜質(zhì)量減少的不是轉(zhuǎn)化為Mev的能量，而是的物質(zhì)存在形式發(fā)生變化，以光子形式存在。因此質(zhì)量虧損并不是質(zhì)量減少了，而是一部分靜質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了動(dòng)質(zhì)量，正是這種轉(zhuǎn)化，核反應(yīng)仍然遵循質(zhì)量守恒。六．課堂練習(xí)1．組成原子核的核子之間有很強(qiáng)的___________，使核子能夠克服庫(kù)侖斥力而緊密地結(jié)合在一起，這種力稱(chēng)為_(kāi)__________，它是一種強(qiáng)相互作用力。2．核子結(jié)合在一起時(shí)放出的能量或原子核分解成核子時(shí)吸收的能量稱(chēng)為原子核的____________，它與核子數(shù)的比值叫________________。在結(jié)合或分解過(guò)程中，反應(yīng)物與生成物的質(zhì)量之差叫______________。3．一個(gè)鈾235衰變?yōu)殁Q核時(shí)釋放出一個(gè)α粒子，已知鈾核的質(zhì)量為×10-25kg，釷核的質(zhì)量為×10-25kg，α粒子的質(zhì)量為×10-27kg，則在該衰變過(guò)程中釋放出的能量為4．下列四個(gè)核反應(yīng)中，X表示中子的是()A．N＋He→O＋XB．Al＋He→P＋XC．H＋H→He＋XD．U＋X→Xe＋Sr＋10n5．對(duì)質(zhì)能方程，下列說(shuō)法正確的是()A．能量可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量B．質(zhì)量可轉(zhuǎn)化為能量C．能量的轉(zhuǎn)化與質(zhì)量的轉(zhuǎn)化是成比例的D．在核反應(yīng)中能量與質(zhì)量都不守恒6．靜止的鐳核Ra發(fā)生α衰變，釋放出的α粒子的動(dòng)能為E，設(shè)衰變過(guò)程中釋放的能量全部以動(dòng)能的形式釋放，則衰變過(guò)程中的質(zhì)量虧損為()A．B．C．D．7、已知1個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量mp=277u，1個(gè)中子的質(zhì)量mn=665u.氦核的質(zhì)量為509u.這里u表示原子質(zhì)量單位，1u=566×10-27kg.由上述數(shù)值，計(jì)算2個(gè)質(zhì)子和28．1993年，中國(guó)科學(xué)院上海原子核研究所制得一種新的鉑元素的同位素鉑202（Pt），制取過(guò)程如下：（1）用質(zhì)子轟擊鈹9（Be）產(chǎn)生快中子；（2）用快中子轟擊汞204（Hg），反應(yīng)過(guò)程中可能有兩種：①生成鉑202，并放出α粒子；②生成鉑202，并放出質(zhì)子、中子。（3）生成的鉑202發(fā)生兩次衰變，變成穩(wěn)