第三節(jié) 核力與核反應(yīng)方程

第三節(jié)核力與核反應(yīng)方程核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)知道原子核的組成和核反應(yīng)方程的書(shū)寫(xiě)。(2)知道四種基本相互作用，知道核力的性質(zhì)。(3)認(rèn)識(shí)原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能的概念。(4)知道質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程。科學(xué)思維能用質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程計(jì)算核能相關(guān)的問(wèn)題。科學(xué)探究結(jié)合能、比結(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(duì)人類(lèi)生活和社會(huì)發(fā)展的影響。一、原子核的組成核反應(yīng)方程1．質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)1919年，盧瑟福用______轟擊氮原子核，發(fā)現(xiàn)了____，它是______的組成部分。2．中子的發(fā)現(xiàn)因?qū)嶋H上絕大部分原子核的電荷數(shù)只是質(zhì)量數(shù)的一半或者還少一些，盧瑟福猜想，原子核內(nèi)可能還存在著另一種粒子，它的質(zhì)量與質(zhì)子相同，但是不帶電，稱(chēng)為中子。后來(lái)，盧瑟福的學(xué)生查德威克通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這個(gè)猜想。α粒子質(zhì)子原子核質(zhì)子和中子核子高速粒子粒子原子核反應(yīng)能守恒二、核力及四種基本相互作用1．強(qiáng)相互作用——核力：存在于原子核的核子之間很強(qiáng)的相互作用力，是引力、強(qiáng)力、______力。2．萬(wàn)有引力：引力把行星和恒星聚在一起，組成太陽(yáng)系、銀河系和其他星系，是自然界的一種基本相互作用。3．電磁相互作用：_____間的相互作用、磁體間的相互作用，其本質(zhì)上說(shuō)是同一種相互作用的不同表現(xiàn)。宏觀物體之間的壓力、拉力、彈力、支持力等，都起源于電荷之間的電磁相互作用。4．弱相互作用：是引起原子核β衰變的原因，即引起中子—質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因，也是短程力，其力程比強(qiáng)相互作用更短，只有10－18m。短程電荷三、結(jié)合能1．結(jié)合能(1)定義：核子結(jié)合成原子核時(shí)會(huì)放出一定的_____，這個(gè)能量叫作原子核的結(jié)合能。(2)比結(jié)合能(平均結(jié)合能)：原子核的結(jié)合能與_______之比，叫作比結(jié)合能。比結(jié)合能_____，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。能量核子數(shù)越大2．質(zhì)量虧損(1)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程：___________。(2)質(zhì)量虧損：原子核的質(zhì)量_____組成它的核子的質(zhì)量之和的現(xiàn)象。ΔE＝Δmc2小于1.1919年，盧瑟福用鐳放射出的α粒子轟擊氮原子核，從氮原子核中打出了一種新的粒子——質(zhì)子。以后，人們用同樣的方法從氟、鈉、鋁等原子核中都打出了質(zhì)子，由此斷定，質(zhì)子是原子核的組成部分。絕大多數(shù)原子核的質(zhì)量與電荷量之比都大于質(zhì)子的相應(yīng)比值。盧瑟福猜想，原子核內(nèi)可能還存在著另一種粒子，它的質(zhì)量與質(zhì)子相同，但是不帶電，他把這種粒子叫作中子。1932年，盧瑟福的學(xué)生查德威克通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這個(gè)猜想。請(qǐng)對(duì)以下說(shuō)法作出判斷：(1)質(zhì)子和中子都不帶電，是原子核的組成成分，統(tǒng)稱(chēng)為核子。

()(2)原子核的電荷數(shù)等于核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)，也就是這種元素的原子序數(shù)。

()(3)同位素具有不同的化學(xué)性質(zhì)。

(

)(4)原子核的電荷數(shù)就是原子核所帶的電荷量。

(

)(5)原子核的質(zhì)量數(shù)就是原子核內(nèi)質(zhì)子和中子的總質(zhì)量。

(

)×√×××2．質(zhì)子的質(zhì)量mp＝1.67×10－27kg，電荷量q＝1.6×10－19C，相距r＝1.0×10－15m的兩個(gè)質(zhì)子。 (1)它們的靜電力和萬(wàn)有引力分別多大？ (2)這兩個(gè)質(zhì)子能否靠萬(wàn)有引力克服靜電力排斥而吸在一起？3．(1)將一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)氘核，能量減小了，是否違反了能量守恒定律？為什么？ (2)將一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)氘核，質(zhì)量減小了，是否違反了質(zhì)量守恒定律？為什么？

提示：(1)沒(méi)有違反能量守恒定律；減少的這部分能量以γ光子的形式釋放出去。 (2)沒(méi)有違反質(zhì)量守恒定律；減小的那部分質(zhì)量等于γ光子的動(dòng)質(zhì)量。新知學(xué)習(xí)(一)|原子核的組成與數(shù)量關(guān)系[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]湯姆孫通過(guò)確定陰極射線(xiàn)的電性和電荷量，猜測(cè)電子來(lái)源于原子，通過(guò)換用不同的材料作陰極得到相同的陰極射線(xiàn)，證明了電子是原子的組成部分；天然放射線(xiàn)是從原子核中射出的，使人們認(rèn)識(shí)到原子核可分，進(jìn)而才有質(zhì)子、中子的發(fā)現(xiàn)。(1)質(zhì)子是由誰(shuí)發(fā)現(xiàn)的？怎樣發(fā)現(xiàn)的？提示：盧瑟福用α粒子轟擊氮核，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子。(2)中子是由誰(shuí)發(fā)現(xiàn)的？依據(jù)是什么？提示：查德威克發(fā)現(xiàn)中子。發(fā)現(xiàn)依據(jù)：如果原子核中只有質(zhì)子，那么原子核的質(zhì)量與電荷量之比應(yīng)等于質(zhì)子的質(zhì)量與電荷量之比，但實(shí)際卻是，絕大多數(shù)情況下前者的比值較大，盧瑟福猜想核內(nèi)還有另一種粒子。查德威克通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這個(gè)猜想。

2．對(duì)核子數(shù)、電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)的理解(1)核子數(shù)：質(zhì)子和中子質(zhì)量差別非常微小，二者統(tǒng)稱(chēng)為核子，所以質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和叫作核子數(shù)。(2)電荷數(shù)(Z)：原子核所帶的電荷等于質(zhì)子電荷的整數(shù)倍，通常用這個(gè)整數(shù)表示原子核的電荷量，叫作原子核的電荷數(shù)。(3)質(zhì)量數(shù)(A)：原子核的質(zhì)量等于核內(nèi)質(zhì)子和中子的質(zhì)量總和，而質(zhì)子與中子質(zhì)量幾乎相等，所以原子核的質(zhì)量幾乎等于單個(gè)核子質(zhì)量的整數(shù)倍，這個(gè)倍數(shù)叫作原子核的質(zhì)量數(shù)。[典例體驗(yàn)][典例]已知鐳的原子序數(shù)是88，原子核質(zhì)量數(shù)是226。試問(wèn)：(1)鐳核中有多少個(gè)質(zhì)子？多少個(gè)中子？(2)鐳核所帶的電荷量是多少？(3)呈中性的鐳原子，核外有多少個(gè)電子？[解析]

(1)鐳核中的質(zhì)子數(shù)等于其原子序數(shù)，故質(zhì)子數(shù)Z為88，中子數(shù)N等于原子核的質(zhì)量數(shù)A與質(zhì)子數(shù)Z之差，即N＝A－Z＝226－88＝138。(2)鐳核所帶電荷量：Q＝Ze＝88×1.6×10－19C≈1.41×10－17C。(3)核外電子數(shù)等于核電荷數(shù)，故核外電子數(shù)為88。[答案]

(1)88

138

(2)1.41×10－17C

(3)88/方法技巧/原子核的“數(shù)”與“量”辨析(1)核電荷數(shù)與原子核的電荷量是不同的，組成原子核的質(zhì)子的電荷量都是相同的，所以原子核的電荷量一定是質(zhì)子電荷量的整數(shù)倍，核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)叫作核電荷數(shù)，而這些質(zhì)子所帶電荷量的總和才是原子核的電荷量。(2)原子核的質(zhì)量數(shù)與質(zhì)量是不同的，也與元素的原子量不同。原子核內(nèi)質(zhì)子和中子的總和叫作核的質(zhì)量數(shù)，原子核的質(zhì)量等于質(zhì)子和中子的質(zhì)量的總和。2．(多選)以下說(shuō)法中正確的是

(

)A．原子中含有帶負(fù)電的電子，所以原子帶負(fù)電B．原子核中的質(zhì)子數(shù)一定跟核外電子數(shù)相等C．用α粒子轟擊氮、氟、鈉、鋁等元素的原子核都可以打出質(zhì)子，因此人們斷定質(zhì)子是原子核的組成部分D．絕大多數(shù)原子核的質(zhì)量跟質(zhì)子質(zhì)量之比都大于核電荷數(shù)跟質(zhì)子數(shù)之比，因而原子核內(nèi)還存在一種不帶電的中性粒子解析：原子中除了帶負(fù)電的電子外，還有帶正電的質(zhì)子，故A錯(cuò)誤；對(duì)于原子來(lái)說(shuō)，電中性原子中，原子核的質(zhì)子數(shù)才跟核外電子數(shù)相等，當(dāng)原子得失電子成為離子時(shí)，質(zhì)子數(shù)與核外電子數(shù)不再相等，故B錯(cuò)誤；正是由用α粒子轟擊氮原子核的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，故C正確；絕大部分原子核的質(zhì)量數(shù)大于電荷數(shù)，核內(nèi)還存在中子，故D正確。答案：CD

/易錯(cuò)警示/書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程時(shí)應(yīng)注意以下三點(diǎn)(1)核反應(yīng)過(guò)程一般都是不可逆的，核反應(yīng)方程不能用等號(hào)連接，只能用單向箭頭表示反應(yīng)方向。(2)核反應(yīng)方程應(yīng)以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，不能憑空編造。(3)核反應(yīng)方程遵守質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒，核反應(yīng)過(guò)程中，一般會(huì)發(fā)生質(zhì)量的變化。解析：設(shè)Y的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)分別為m和n，根據(jù)核反應(yīng)方程質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，第一個(gè)核反應(yīng)方程的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)滿(mǎn)足Z＋7＝m＋8，A＋14＝n＋17，第二個(gè)核反應(yīng)方程的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)滿(mǎn)足m＋3＝2Z，n＋7＝2A，聯(lián)立解得Z＝2，A＝4。答案：D

新知學(xué)習(xí)(三)|對(duì)比結(jié)合能的理解[重點(diǎn)釋解]1．比結(jié)合能曲線(xiàn)不同原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化圖線(xiàn)如圖所示。從圖中可看出，中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能最大，輕核和重核的比結(jié)合能都比中等質(zhì)量的原子核要小。2．比結(jié)合能與原子核穩(wěn)定性的關(guān)系(1)比結(jié)合能的大小能夠反映原子核的穩(wěn)定程度，比結(jié)合能越大，原子核就越難拆開(kāi)，表示該核越穩(wěn)定。(2)核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，比結(jié)合能都比較小，表示原子核不太穩(wěn)定；中等質(zhì)量大小的核比結(jié)合能較大，表示原子核較穩(wěn)定。(3)當(dāng)比結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成比結(jié)合能較大的原子核時(shí)，就可釋放核能。例如，一個(gè)核子數(shù)較大的重核分裂成兩個(gè)核子數(shù)小一些的核，或者兩個(gè)核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個(gè)核子數(shù)大一些的核，都能釋放出巨大的核能。/方法技巧/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(gè)數(shù)之比稱(chēng)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。

[針對(duì)訓(xùn)練]1．(多選)關(guān)于原子核的結(jié)合能與平均結(jié)合能，下列說(shuō)法中正確的是

(

)A．原子核的結(jié)合能等于核子與核子之間結(jié)合成原子核時(shí)核力做的功B．原子核的結(jié)合能等于核子從原子核中分離，外力克服核力做的功C．平均結(jié)合能是核子與核子結(jié)合成原子核時(shí)平均每個(gè)核子放出的能量D．不同原子核的平均結(jié)合能不同，重核的平均結(jié)合能比中等質(zhì)量核的平均結(jié)合能大解析：原子核中，核子與核子之間存在核力，要將核子從原子核中分離，需要外力克服核力做功；當(dāng)自由核子結(jié)合成原子核時(shí)，核力將做功，釋放能量，故A、B正確；對(duì)某種原子核，平均每個(gè)核子的結(jié)合能稱(chēng)為平均結(jié)合能，故C正確；不同原子核的平均結(jié)合能不同，重核的平均結(jié)合能比中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能要小，故D錯(cuò)誤。答案：ABC

新知學(xué)習(xí)(四)|質(zhì)能方程與核能計(jì)算[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]如圖所示是原子核轉(zhuǎn)變示意圖。(1)在核反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)是否守恒？提示：在核反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒。(2)在該核反應(yīng)過(guò)程中會(huì)釋放出能量，反應(yīng)前后原子核的質(zhì)量是否會(huì)發(fā)生變化？提示：核反應(yīng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損。

[重點(diǎn)釋解]1．質(zhì)量虧損(1)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)象叫作質(zhì)量虧損，質(zhì)量虧損只有在核反應(yīng)中才能明顯地表現(xiàn)出來(lái)。(2)Δm是核反應(yīng)前與核反應(yīng)后的質(zhì)量之差。2．質(zhì)能方程E＝mc2愛(ài)因斯坦指出，物體的能量(E)和質(zhì)量(m)之間存在著密切的關(guān)系，即E＝mc2，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質(zhì)量成正比。由于c2這個(gè)數(shù)值非常大，因而物體的能量是十分可觀的。3．核能的計(jì)算方法(1)根據(jù)質(zhì)量虧損計(jì)算①根據(jù)核反應(yīng)方程，計(jì)算核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損Δm。②根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2計(jì)算核能。其中Δm的單位是千克，ΔE的單位是焦耳。(2)利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特計(jì)算根據(jù)1u≈931.5MeV的能量，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5MeV。其中Δm的單位是u，ΔE的單位是MeV。4．判斷核反應(yīng)過(guò)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(jìn)行判斷，若質(zhì)量減少即發(fā)生了虧損，則釋放能量；若質(zhì)量增加，則吸收能量。(2)根據(jù)動(dòng)能變化判斷，若不吸收光子而動(dòng)能增加則放出能量。

[針對(duì)訓(xùn)練]1．下列說(shuō)法中正確的是

(

)A．愛(ài)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(shuō)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(shuō)明能量和質(zhì)量之間存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，A錯(cuò)誤，B正確；核反應(yīng)中的“質(zhì)量虧損”并不是質(zhì)量消失，實(shí)際上是由靜止的質(zhì)量變成運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，并不是質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量，C錯(cuò)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