高中物理粵教版（2023）選擇性必修第三冊 5.3 核力與核反應(yīng)方程課件(共29張PPT)

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第三節(jié)核力與核反應(yīng)方程

高二—粵教版—物理—第五章

學(xué)習(xí)目標(biāo)

知道原子核的組成，知道原子核的表示方法。

會寫核反應(yīng)方程，知道核反應(yīng)遵循的規(guī)律。

核力的概念、特點(diǎn)和四種基本相互作用。

了解結(jié)合能和比結(jié)合能的概念。

能用愛因斯坦的質(zhì)能方程進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

一、原子核的組成

一、原子核的組成

（二）原子核組成：中子和質(zhì)子。

（一）發(fā)現(xiàn)中子和質(zhì)子

粒子種類發(fā)現(xiàn)者實(shí)驗(yàn)粒子電性粒子質(zhì)量

質(zhì)子盧瑟福α粒子轟擊氮核正電與氫原子的質(zhì)量相近

中子查德威克α粒子轟擊鈹核不帶電與質(zhì)子的質(zhì)量相近

核子中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子

（二）原子核由中子和質(zhì)子

一、原子核的組成

中子與質(zhì)子的質(zhì)量幾乎相等。

原子核的質(zhì)量幾乎等于單個核子質(zhì)量的整數(shù)倍，我們把這個倍數(shù)叫做原子核的質(zhì)量數(shù)，原子核的質(zhì)量數(shù)就是核內(nèi)的核子數(shù)。

其中X為元素的符號，A表示原子核的質(zhì)量數(shù)，Z表示電荷量數(shù)，即質(zhì)子數(shù)

A-Z表示原子核包含的中子數(shù)。

（三）原子核常用表示符號

盧瑟福用ɑ粒子轟擊氮核發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程。

二、核反應(yīng)方程

提出問題：核反應(yīng)后原子核發(fā)生了什么變化有什么規(guī)律？

(一)規(guī)律：在核反應(yīng)過程中，方程兩邊總的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒。

查德威克用ɑ粒子轟擊鈹核()發(fā)現(xiàn)中子()的核反應(yīng)方程。

注意：核反應(yīng)過程一般都是不可逆的，核反應(yīng)方程不能用等號連接，只能用單向箭頭表示反應(yīng)方向。

(二)原子核衰變的本質(zhì)

①α衰變：原子核放出α粒子變成新的原子核。

②β衰變：原子核放出β粒子變成新的原子核。

本質(zhì)：

本質(zhì)：

③γ衰變伴隨α衰變和β衰變

本質(zhì)：發(fā)生衰變時，原子核受激發(fā)而產(chǎn)生的光子（能量）輻射。

提出問題：衰變說明原子核里有a粒子和電子嗎？

二、核反應(yīng)方程

1、已知鐳的原子序數(shù)是88，鐳原子核的質(zhì)量數(shù)是226，試問：

(1)鐳核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)分別是多少？

解析：原子序數(shù)與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)、核電荷數(shù)、中性原子的核外電子數(shù)都是相等的，所以鐳核質(zhì)子數(shù)為88；中子數(shù)等于原子核的質(zhì)量數(shù)與質(zhì)子數(shù)之差，226－88＝138。

課堂反饋

(2)鐳核的核電荷數(shù)和所帶的電荷量分別是多少？

解析：鐳核的核電荷數(shù)與原子序數(shù)相同，鐳核的核電荷數(shù)為88；

所帶的電荷量是：Q＝Ze＝88×1.6×10－19C＝1.408×10－17C。

(3)是鐳的一種同位素，讓和以相同的速度垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，它們運(yùn)動的軌道半徑之比是多少？

2、(多選)天然放射性元素(釷)經(jīng)過一系列α衰變和β衰變后，變成(鉛)，以下說法中正確的是()

A.鉛核比釷核少8個質(zhì)子

B.鉛核比釷核少16個中子

C.共經(jīng)過4次α衰變和6次β衰變

D.共經(jīng)過6次α衰變和4次β衰變

ABD

課堂反饋

解析：由題目已知釷核和鉛核元素符號得出，鉛核質(zhì)子數(shù)為82，質(zhì)量數(shù)為232；釷核質(zhì)子數(shù)為90，質(zhì)量數(shù)為209；

設(shè)發(fā)生了x次α衰變和y次β衰變，由核反應(yīng)方程兩邊總質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒有：2x－y＋82＝90,4x＋208＝232，

解得x＝6，y＝4，故衰變過程中共6次α衰變和4次β衰變。

提出問題：質(zhì)子間存在著巨大的庫侖斥力，那為什么質(zhì)子沒有被排斥開，反而還緊緊的結(jié)合在一起呢？

三、核力及四種基本互相作用

猜想：核子間的萬有引力使它們緊緊結(jié)合在一起？

質(zhì)子相互間距r的數(shù)量級為10-15m；質(zhì)子質(zhì)量m的數(shù)量級為10-27kg，質(zhì)子電量e的數(shù)量級為10-19C；萬有引力常量G的數(shù)量級為10-11，靜電力常量k的數(shù)量級為109。估算兩質(zhì)子間庫侖斥力與萬有引力之比？

解：

結(jié)論：原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬有引力來抗衡相互間的庫侖斥力是不可能的。

再猜想：核子之間一定存在著第三種力，使核子能緊密的結(jié)合在一起。

分析論證:萬有引力和庫侖力對比

三、核力及四種基本互相作用

三、核力及四種基本互相作用

1、定義：能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一起的強(qiáng)大的力叫做核力。

核力是短程力。約在10-15m量級時起作用，距離大于0.8×10-15m時為引力,距離為10×10-15m時核力幾乎消失，距離小于0.8×10-15m時為斥力。

核力具有飽和性。核子只對相鄰的少數(shù)核子產(chǎn)生較強(qiáng)的引力，而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用。

2、核力的特點(diǎn)

(一）、核力

1.萬有引力相互作用

萬有引力引力是自然界的一種基本相互作用，地面物體所受的重力只是引力在地球表面附近的一種表現(xiàn)。

三、核力及四種基本互相作用

(二）、四種基本相互作用

三、核力及四種基本互相作用

2.電磁相互作用

電荷間的相互作用

電荷間、磁體間的相互作用，其本質(zhì)上是同一種相互作用的不同表現(xiàn)，這種相互作用被稱為電磁相互作用。

電流與磁體間的相互作用

(二）、四種基本相互作用

3.強(qiáng)相互作用

原子核中的核子之間存在一種很強(qiáng)的相互作用，即存在一種核力，它使得核子緊密地結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的原子核。

p

n

n

p

p

n

短程力：約在10-15m量級時起作用

三、核力及四種基本互相作用

(二）、四種基本相互作用

4.弱相互作用

在某些放射現(xiàn)象中起作用的另一種基本相互作用

弱相互作用是引起原子核β衰變的原因，即引起中子一質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。

短程力：約在10-18m量級時起作用。

三、核力及四種基本互相作用

(二）、四種基本相互作用

類比分析：

要使基態(tài)氫原子電離，也就是要從氫原子中把電子剝離，需要通過碰撞、照射光子等途徑讓它得到13.6eV的能量。

-0.85

n

∞

2

3

4

1

E（eV）

-3.40

-1.51

0

-13.60

四、結(jié)合能

(一）、結(jié)合能

四、結(jié)合能

(一）、結(jié)合能

②將一個質(zhì)子和中子結(jié)合在一起，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？

吸收能量

放出能量

提出問題：①若要把核子分開，需要什么條件？

1、定義：因?yàn)樵雍耸呛俗討{借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開或結(jié)合，也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能。

將原子核拆分成單個核子需要吸收的能量。

將單個核子結(jié)合成原子核需要放出的能量。

四、結(jié)合能

(一）、結(jié)合能

2、結(jié)合能大?。航M成原子核的核子數(shù)越多，結(jié)合能越大。

四、結(jié)合能

問題：結(jié)合能的大小與什么因素有關(guān)？

(一）、結(jié)合能

問題：如果結(jié)合能越大說明把原子核分開，所需要的能量就越大，那是不是結(jié)合能越大就意味著原子核越穩(wěn)定呢？

原子核越大

→核子個數(shù)越多

→但不能說明它穩(wěn)定

→結(jié)合能越大

結(jié)合能

核子數(shù)

四、結(jié)合能

平均到每一個核子的結(jié)合能大小反映原子核的穩(wěn)定性。

(二）、比結(jié)合能

結(jié)合能

核子數(shù)

比結(jié)合能=

四、結(jié)合能

2、比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定。

1、定義：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。

(二）、比結(jié)合能

輕核和重核的比結(jié)合能都比中等大小的核的比結(jié)合能要小

Fe

四、結(jié)合能

情景一：請觀察比結(jié)合能與質(zhì)量數(shù)關(guān)系圖，

（1）找出比結(jié)能隨核子數(shù)變化的規(guī)律？

比結(jié)合能與質(zhì)量數(shù)關(guān)系圖

(二）、比結(jié)合能

（2）最穩(wěn)定的原子核是什么？為什么？

因?yàn)镕e的比結(jié)合能最大，所以Fe原子核最穩(wěn)定。

（3）原子核的結(jié)合能是多大？

由圖可得的比結(jié)合能為1MeV，

結(jié)合能=核子數(shù)×比結(jié)合能=2×1MeV=2MeV

(1)物體具有的能量跟它的質(zhì)量存在著簡單正比關(guān)系。

質(zhì)能方程E=mc2

（2）任何質(zhì)量為m的物體都具有大小相當(dāng)于mc2的能量。

（3）物體的質(zhì)量發(fā)生變化，相對應(yīng)的能量也會變化。

問題：如何求解原子核的結(jié)合能？

四、結(jié)合能

愛因斯坦

反應(yīng)前質(zhì)量/kg反應(yīng)后質(zhì)量/kg

mn1.6749×10－27m氘3.3436×10－27

mp1.6726×10－27

總質(zhì)量總質(zhì)量3.3436×10－27

3.3475×10－27

原子核的質(zhì)量總是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。

四、結(jié)合能

問題：如何求解原子核的結(jié)合能？

中子與質(zhì)子結(jié)合成氘原子核

反應(yīng)前質(zhì)量/kg反應(yīng)后質(zhì)量/kg

mn1.6749×10－27m氘3.3436×10－27

mp1.6726×10－27

總質(zhì)量總質(zhì)量3.3436×10－27

3.3475×10－27

四、結(jié)合能

問題：如何求解原子核的結(jié)合能？

質(zhì)量虧損Δm=(mn+mp-mD)=0.0039×10－27k