第3節(jié)　核力與核能

第3節(jié)核力與核能核心素養(yǎng)點擊物理觀念1.知道核力、核素的概念，知道核力的性質(zhì)。2.知道四種基本相互作用及特點。3.認識原子核的結(jié)合能與平均結(jié)合能。4.知道質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程?？茖W(xué)思維能用質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程計算核能相關(guān)問題?？茖W(xué)探究結(jié)合能、平均結(jié)合能與原子核的穩(wěn)定性的關(guān)系?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任關(guān)注核技術(shù)應(yīng)用對人類生活和社會發(fā)展的影響。1．填一填(1)核力：把原子核中的

維系在一起的力。(2)核力特點①核力是一種

作用。②核力是

力，作用范圍不能從一個原子核延伸到另一個原子核，僅存在兩相鄰的核子之間。(3)核素：具有一定

數(shù)和中子數(shù)的原子核稱為核素。核子強相互短程質(zhì)子(4)核素圖：用橫坐標表示質(zhì)子數(shù)，縱坐標表示中子數(shù)，每一種

用一小方塊表示，所得到的圖像稱為核素圖(如圖所示)。核素(5)核的穩(wěn)定性①核素的穩(wěn)定區(qū)：穩(wěn)定核素幾乎全落在

上，或緊靠曲線的兩側(cè)的區(qū)域。②穩(wěn)定核素的中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)的關(guān)系：隨著

的增加，穩(wěn)定核素的中子數(shù)越來越

質(zhì)子數(shù)。(6)四種基本相互作用一條曲線質(zhì)子數(shù)大于2．判一判(1)原子核內(nèi)的質(zhì)子間均存在核力和庫侖力。

(

)(2)穩(wěn)定原子核的質(zhì)子數(shù)總是與中子數(shù)相等。

(

)(3)對質(zhì)子數(shù)較多的原子核，其中的中子數(shù)起到增加核力、維系原子核穩(wěn)定的作用。(

)3．想一想核子之間都有相互作用的核力，說明核力與電荷有什么關(guān)系？質(zhì)子之間除了核力外還有什么作用力？提示：核力與電荷無關(guān)。質(zhì)子之間除了核力外還有萬有引力、庫侖力?！痢痢?．填一填(1)原子核的結(jié)合能：

結(jié)合成原子核所

的能量。(2)質(zhì)量虧損①定義：任何一個原子核的質(zhì)量總是

組成它的所有

的質(zhì)量之和，這一差值稱為質(zhì)量虧損。②結(jié)合能計算公式：ΔE＝

。(3)平均結(jié)合能：原子核的結(jié)合能與其

之比稱為該核的平均結(jié)合能，又稱為比結(jié)合能。重核的平均結(jié)合能比中等質(zhì)量核的平均結(jié)合能要

；輕核的平均結(jié)合能比稍重的核的平均結(jié)合能要

。核子釋放小于核子Δmc2質(zhì)量數(shù)小小2．判一判(1)原子核的核子數(shù)越多，平均結(jié)合能越大。

(

)(2)質(zhì)量虧損是因為這部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。

(

)(3)結(jié)合能越大，核子結(jié)合得越牢固，原子越穩(wěn)定。

(

)3．想一想如圖所示為部分原子核的比結(jié)合能曲線?！痢痢?1)上圖中比結(jié)合能最小的是什么原子核？說明什么問題？提示：是氘原子核，說明氘原子核不穩(wěn)定。(2)隨著質(zhì)量數(shù)的增加，比結(jié)合能曲線整體上有什么變化規(guī)律？提示：隨著質(zhì)量數(shù)的增加，比結(jié)合能曲線整體上先增大再減小，中等大小核的比結(jié)合能最大、最穩(wěn)定。提示：核子之間還存在著核力作用。(2)自然界中存在的元素是有限的，為什么質(zhì)子與中子不能隨意地組合從而形成無數(shù)不同的原子核？提示：當核子增多時，原子核增大，核子間的距離也增大，當距離較大時，一些核子間可能就沒有核力的作用了，這樣形成的核不穩(wěn)定，最終會瓦解。因此質(zhì)子與中子不能隨意地組合形成無數(shù)不同的原子核。

[重難釋解]1．核力的性質(zhì)(1)核力是四種基本相互作用中的強相互作用(強力)的一種表現(xiàn)。(2)核力是短程力。約在10－15m數(shù)量級時起作用，距離大于0.8×10－15m時表現(xiàn)為引力，距離小于0.8×10－15m時表現(xiàn)為斥力，距離為10×10－15m時核力幾乎消失。(3)核力具有飽和性。核子只對相鄰的少數(shù)核子產(chǎn)生較強的引力，而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用。(4)核力具有電荷無關(guān)性。核力與核子電荷無關(guān)。2．原子核中質(zhì)子與中子的比例關(guān)系(1)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)，越重的原子核，兩者相差越多。(2)形成原因①若質(zhì)子與中子成對地人工構(gòu)建原子核，隨原子核的增大，核子間的距離增大，核力和電磁力都會減小，但核力減小得更快。所以當原子核增大到一定程度時，相距較遠的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個原子核就不穩(wěn)定了。②若只增加中子，因為中子與其他核子沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，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)多。③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大到其間根本沒有核力的作用，這時候再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的。[解析]原子核中原子數(shù)和中子數(shù)不一定相等，質(zhì)量越大的原子核內(nèi)中子數(shù)比質(zhì)子數(shù)多得越多，故A、B錯誤；原子核可以發(fā)生衰變，故C錯誤；由核力作用特點可知，核子數(shù)越多的原子核越不穩(wěn)定，故D正確。[答案]

D記憶核力特點技巧(1)核子包括質(zhì)子和中子，而中子不帶電，所以核力與電荷無關(guān)。(2)原子核非常小，所以核力屬于短程力。(3)質(zhì)子間的核力比庫侖力大得多，屬于強相互作用力。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．對原子核的組成，下列說法正確的是

(

)A．核力可使一些中子組成原子核 B．核力可使非常多的質(zhì)子組成原子核C．不存在只有質(zhì)子的原子核 D．質(zhì)量較大的原子核內(nèi)一定有中子解析：由于原子核帶正電，不存在只有中子的原子核，但核力也不能把非常多的質(zhì)子聚集在一起組成原子核，原因是核力是短程力，質(zhì)子之間還存在長程力——庫侖力，A、B錯誤；自然界中存在只有一個質(zhì)子的原子核，如H，C錯誤；較大質(zhì)量的原子核內(nèi)只有存在一些中子，才能削弱庫侖力，維系原子核的穩(wěn)定，故D正確。答案：D

2．(多選)核子結(jié)合成原子核的下列說法中，正確的是

(

)A．原子核內(nèi)的核子間均存在核力B．原子核內(nèi)的質(zhì)子間均存在核力和庫侖力C．當n個核子靠近到核力作用的范圍而結(jié)合為原子核時，其間勢能一定減小D．質(zhì)子數(shù)較多的原子核，其中的中子起到增加核力、維系原子核穩(wěn)定的作用解析：由于核力為短程力，只會發(fā)生在相鄰核子之間，由此知A、B錯誤；當n個核子靠近到核力作用范圍內(nèi)，而距離大于0.8×10－15m時，核力表現(xiàn)為引力，在此過程中核力必做正功，其間勢能必定減小，形成原子核后距離一般不小于0.8×10－15m，故C正確；質(zhì)子數(shù)較多的原子核由于只有相鄰的核子間才有核力，但各個質(zhì)子間均有很強的庫侖斥力，隨著質(zhì)子數(shù)的增加，其庫侖力增加，對于穩(wěn)定的原子核，必須存在較多的中子才能維系二者的平衡，故D正確。答案：CD

如圖所示為不同原子核的平均結(jié)合能隨核子數(shù)變化的圖線。(1)平均結(jié)合能的大小與核子數(shù)的關(guān)系如何？提示：中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能最大，輕核和重核的平均結(jié)合能都比中等質(zhì)量的原子核的平均結(jié)合能要小。(2)平均結(jié)合能越大的原子核，結(jié)合能越大嗎？提示：結(jié)合能是原子核拆解成單個核子時吸收的能量，而平均結(jié)合能是原子核的結(jié)合能與其核子數(shù)之比。所以結(jié)合能大的原子核，平均結(jié)合能不一定大，結(jié)合能小的原子核，平均結(jié)合能不一定小，相對來說，平均結(jié)合能更有意義，它反映了原子核結(jié)合的穩(wěn)定程度或分裂的難易程度。

[重難釋解]1．結(jié)合能和平均結(jié)合能由于核力的存在，核子結(jié)合成原子核時要放出一定的能量，原子核分解成核子時，要吸收同樣多的能量，核反應(yīng)中放出或吸收的能量稱為結(jié)合能。平均結(jié)合能：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比。平均結(jié)合能越大，表示原子核結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。2．結(jié)合能與電離能要使基態(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、施加電場、賦予光子等途徑讓它得到13.6eV的能量，這個能量實際上就是電子與氫原子核的結(jié)合能，不過通常把它叫作氫原子的電離能，而結(jié)合能一詞只用在原子核中。3．平均結(jié)合能曲線不同原子核的平均結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化圖線如圖所示。從圖中可看出，中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能最大，輕核和重核的平均結(jié)合能都比中等質(zhì)量的原子核要小。4．平均結(jié)合能與原子核穩(wěn)定的關(guān)系(1)平均結(jié)合能的大小能夠反映原子核的穩(wěn)定程度，平均結(jié)合能越大，原子核就越難拆開，表示該原子核就越穩(wěn)定。(2)核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，平均結(jié)合能都比較小，表示原子核不太穩(wěn)定；中等核子數(shù)的原子核，平均結(jié)合能較大，表示原子核較穩(wěn)定。(3)當平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成平均結(jié)合能較大的原子核時，就可能釋放核能。例如，一個核子數(shù)較大的重核分裂成兩個核子數(shù)小一些的核，或者兩個核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個核子數(shù)大一些的核，都能釋放出巨大的核能。結(jié)合能的應(yīng)用技巧(1)組成原子核的核子越多，結(jié)合能越大。(2)結(jié)合能與核子個數(shù)之比稱為比結(jié)合能，比結(jié)合能越大原子核越穩(wěn)定。(3)結(jié)合能通常只用在原子核中。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)某種原子序數(shù)大于90的原子核不穩(wěn)定，分裂成三個質(zhì)量較小的新核和某種射線，關(guān)于該分解過程正確的是

(

)A．一定放出能量B．新核的比結(jié)合能更小C．放出的射線可能為X射線D．若放出的射線為β射線，則分解過程中存在弱相互作用解析：分裂后的原子核的質(zhì)量數(shù)比分裂前小，所以比結(jié)合能增大，一定放出能量，A正確，B錯誤；放出的射線只可能是α、β、γ中的某一種，不可能是X射線，C錯誤；β射線是中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時產(chǎn)生的，而弱相互作用就是在中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時起作用，故D正確。答案：AD

如圖所示是原子核轉(zhuǎn)變示意圖。(1)在核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)、核電荷數(shù)是否守恒？提示：在核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)與核電荷數(shù)守恒。(2)在該核反應(yīng)過程中會釋放出能量，反應(yīng)前后原子核的質(zhì)量是否會發(fā)生變化？提示：核反應(yīng)過程中會發(fā)生質(zhì)量虧損。

[重難釋解]1．質(zhì)量虧損所謂質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消失，減少的質(zhì)量在核子結(jié)合成原子核的過程中以能量的形式輻射出去了。反過來，把原子核分裂成核子，總質(zhì)量要增加，總能量也要增加，增加的能量要由外部供給?？傊?，物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，它們之間的關(guān)系就是E＝mc2。2．能量與質(zhì)量的關(guān)系——質(zhì)能方程E＝mc2(1)質(zhì)能方程說明，一定的質(zhì)量總是跟一定的能量相聯(lián)系的。具體地說，一定質(zhì)量的物體所具有的總能量是一定的，等于光速的平方與其質(zhì)量之積，這里所說的總能量，不是單指物體的動能、核能或其他哪一種能量，而是物體所具有的各種能量的總和。(2)根據(jù)質(zhì)能方程，物體的總能量與其質(zhì)量成正比。物體質(zhì)量增加，則總能量隨之增加；質(zhì)量減少，總能量也隨之減少，這時質(zhì)能方程也寫作ΔE＝Δmc2。(3)質(zhì)能方程的本質(zhì)①質(zhì)量或能量是物質(zhì)的屬性之一，決不能把物質(zhì)和它們的某一屬性(質(zhì)量和能量)等同起來；②質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量和能量的不可分割性，方程建立了這兩個屬性在數(shù)值上的關(guān)系，這兩個量分別遵守質(zhì)量守恒和能量守恒，質(zhì)量和能量在數(shù)值上的聯(lián)系決不等于這兩個量可以相互轉(zhuǎn)化；③質(zhì)量虧損不是否定了質(zhì)量守恒定律。根據(jù)愛因斯坦的相對論，輻射出的γ光子靜質(zhì)量雖然為零，但它有動質(zhì)量，而且這個動質(zhì)量剛好等于虧損的質(zhì)量，所以質(zhì)量守恒、能量守恒仍成立。3．核能的計算方法根據(jù)質(zhì)量虧損計算(1)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Δm。(2)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2計算核能。其中Δm的單位是千克，ΔE的單位是焦耳。(3)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，利用動量和能量守恒可以計算出核能的變化。(4)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．判斷核反應(yīng)過程是釋放能量還是吸收能量的方法(1)根據(jù)反應(yīng)前后質(zhì)量的變化情況進行判斷，若質(zhì)量減少即發(fā)生了質(zhì)量虧損，則釋放能量；若質(zhì)量增加，則吸收能量。(2)根據(jù)動能變化判斷，若不吸收光子而動能增加則放出能量。(2)若放出的能量全部變?yōu)樾律说膭幽?，求新生的質(zhì)子與氚核的動能之比；(3)若放出的能量全部變?yōu)樾律说膭幽?，則質(zhì)子具有的動能是多少？(保留三位有效數(shù)字)核能的兩種單位換算技巧(1)若以kg為質(zhì)量虧損Δm的單位，則計算時應(yīng)用公式ΔE＝Δmc2。(2)若以原子質(zhì)量單位“u”為質(zhì)量虧損單位，則ΔE＝Δm×931.5MeV。(3)兩種方法計算的核能的單位分別為“J”和“MeV”，1MeV＝1×106×1.6×10－19J＝1.6×10－13J。2．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E＝mc2可知，能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系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，且有質(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：E＝mc2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，并不是說明能量和質(zhì)量之間存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，A錯誤，B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，C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)的質(zhì)量由靜質(zhì)量變成動質(zhì)量，D錯誤。答案：B

3．取質(zhì)子的質(zhì)量mp＝1.6726×10－27kg，中子的質(zhì)量mn＝1.6749×10－27kg，α粒子的質(zhì)量mα＝6.6467×10－27kg，光速c＝3.0×108m/s。請計算α粒子的結(jié)合能。(計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)解析：組成α粒子的核子與α粒子的質(zhì)量差Δm＝(2mp＋2mn)－mα結(jié)合能ΔE＝Δmc2代入數(shù)據(jù)得ΔE＝4.3×10－12J。答案：4.3×10－12

J二、注重學(xué)以致用和思維建