第四第四节节 核力与核力与结结合能合能 目标定位目标定位 1.知道核力及其性质道核力及其性质.2.知道重核与轻核中中子知道重核与轻核中中子数与质子数的数量多少关系数与质子数的数量多少关系.3.掌握结合能和平均结合能的概掌握结合能和平均结合能的概念念.4.知道质量亏损，理解爱因斯坦质能方程，并能进行有关知道质量亏损，理解爱因斯坦质能方程，并能进行有关核能的计算核能的计算 一、核力及其性质一、核力及其性质 核子核子之间有很之间有很 强强 的相互作用力，使核子能的相互作用力，使核子能1组成原子核的成原子核的 库仑斥力库仑斥力 而紧密地结合在一起，这种力称为而紧密地结合在一起，这种力称为够克服够克服 核力核力 强强 的力，在它的作用范围内核力比库仑力的力，在它的作用范围内核力比库仑力2核力是一种很核力是一种很 大的多大的多 短程短程 力在约力在约0.5101521015 m的距离的距离3核力是一种核力是一种 内主要表现为内主要表现为 引引 力；大于力；大于21015 m的距离时核力就迅的距离时核力就迅速减小为速减小为 零零 ；在小于；在小于0.51015 m的距离内，核力又转的距离内，核力又转斥斥 力而使核子不融合在一起力而使核子不融合在一起 变为强大的变为强大的 二、重核与轻核二、重核与轻核 后后 原子核中的子核中的质子数质子数 又称为原子序数，排在周期表比较靠又称为原子序数，排在周期表比较靠 的的前前 的叫做轻核一的叫做轻核一元素对应的原子核叫做重核，排在比较靠元素对应的原子核叫做重核，排在比较靠 相等相等 ，但是大，但是大般排在周期表最前面的轻核的质子和中子数般排在周期表最前面的轻核的质子和中子数 多于多于 质子质子 多数重核是中子多数重核是中子 三、结合能三、结合能 放出放出 一定一定1结结合能：根据能量守恒，核子结合成原子核时也会合能：根据能量守恒，核子结合成原子核时也会 的能量，这个能量叫做原子核的的能量，这个能量叫做原子核的 结合能结合能 2用高能量的用高能量的 光子照射氘核，光子照射氘核，可以使它分解为质子和中子，可以使它分解为质子和中子，核反核反应方程是应方程是 2111H1H0n . 光子的能量大于或等于光子的能量大于或等于 2.22 MeV . 相反的过程，一个中子和一个质子结合成氘核会释放出相反的过程，一个中子和一个质子结合成氘核会释放出2.22 MeV 的能量这个能量以的能量这个能量以 光子的形式辐射出去核反应方程光子的形式辐射出去核反应方程112是是0n1H 1H . 核子数核子数 之比称为该原子之比称为该原子3平均结合能：原子核的结合能与平均结合能：原子核的结合能与 核的平均结合能它反映了一个原子核结合的紧密程度，核的平均结合能它反映了一个原子核结合的紧密程度，平均结合能越大，表示原子核结合得越稳定平均结合能越大，表示原子核结合得越稳定 4爱因斯坦质能方程：爱因斯坦质能方程：Emc2或或Emc2 想一想想一想 有人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认识对不对？识对不对？ 答案答案 不对在核反应中质量数守恒即核子的个数不变，只对在核反应中质量数守恒即核子的个数不变，只 是核子组成原子核时，仿佛变是核子组成原子核时，仿佛变“轻轻”了一些，原子核的质量了一些，原子核的质量总是小于其全部核子质量之和，即发生了质量亏损，核子的总是小于其全部核子质量之和，即发生了质量亏损，核子的个数并没有变化个数并没有变化 预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 问题问题1 问题问题2 问题问题3 一、对核力的理解一、对核力的理解 核力是原子核内核子与核子之间的相互作用，它发生在力是原子核内核子与核子之间的相互作用，它发生在质子与质子之间、质子与中子之间、中子与中子之间，质子与质子之间、质子与中子之间、中子与中子之间，是一种超短程力，且是一种强相互作用，在作用的范围是一种超短程力，且是一种强相互作用，在作用的范围内，核力远大于库仑力内，核力远大于库仑力 【例【例1】 (多选多选)对于核力，以下说法正确的是于核力，以下说法正确的是 A核力是弱相互作用，作用力很小核力是弱相互作用，作用力很小 B核力是强相互作用的表现，是强力核力是强相互作用的表现，是强力 ( ) C核子之间的距离小于核子之间的距离小于0.51015 m时，核力表现为斥力，时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起因此核子不会融合在一起 D人们对核力的了解很清楚，特别是在小于人们对核力的了解很清楚，特别是在小于0.51015 m时核力的变化规律更清楚时核力的变化规律更清楚 答案答案 BC 解析解析 核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围在核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围在21015 m之内，核力比库仑力大得多，因此选项之内，核力比库仑力大得多，因此选项 B正确，正确，A错误；核力在大于错误；核力在大于0.51015 m且小于且小于 21015 m时表现为吸引力，且随距离的增大而减小；在距时表现为吸引力，且随距离的增大而减小；在距离小于离小于0.51015 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起，所以选项合在一起，所以选项 C正确；人们对核力的了解还不是很清正确；人们对核力的了解还不是很清楚，这正是科学家们奋力攻克的堡垒，故选项楚，这正是科学家们奋力攻克的堡垒，故选项D不正确不正确 针对训练针对训练1 下列关于核力的说法正确的是列关于核力的说法正确的是 ( ) A核力同万有引力没有区别，都是物体间的作用核力同万有引力没有区别，都是物体间的作用 B核力就是电磁力核力就是电磁力 C核力是短程力，作用范围在核力是短程力，作用范围在21015 m之内之内 D核力与电荷有关核力与电荷有关 答案答案 C 解析解析 核力是短程力，超过核力是短程力，超过21015 m，核力急剧下降几，核力急剧下降几乎消失，故乎消失，故 C正确；核力与万有引力、电磁力不同，故正确；核力与万有引力、电磁力不同，故 A、B错；核力与电荷无关，故错；核力与电荷无关，故D错错 二、结合能与平均结合能的理解二、结合能与平均结合能的理解 1平平均结合能曲线：不同原子核的平均结合能随质量数变化图线均结合能曲线：不同原子核的平均结合能随质量数变化图线如图如图 1 所示所示 图图 1 从图中可看出，中等质量原子核的平均结合能大，轻核和重核从图中可看出，中等质量原子核的平均结合能大，轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核要小的平均结合能都比中等质量的原子核要小 2当平均结合能较小的原子核转化为平均结合能较大的原子核时当平均结合能较小的原子核转化为平均结合能较大的原子核时会释放核能会释放核能 3平均结合能又叫平均结合能，反映了原子核的稳定程度平均平均结合能又叫平均结合能，反映了原子核的稳定程度平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，中等核子数的原子核，平均结合能较大，原子核较稳定中等核子数的原子核，平均结合能较大，原子核较稳定 【例【例2】 下列关于结合能和平均结合能的说法中，正确的有列关于结合能和平均结合能的说法中，正确的有 ( ) A核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能能量称为结合能 B平均结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定平均结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定 越大越大 C重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和平均结合重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和平均结合能都大能都大 D中等质量原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大中等质量原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大 答案答案 D 解析解析 核子结合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是核子结合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，吸收能量，A选项错误；平均结合能越大的原子核越稳定，选项错误；平均结合能越大的原子核越稳定，但平均结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等但平均结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等 质量原子核的平均结合能比重核大，但由于核子数比重核少，质量原子核的平均结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核反而小，其结合能比重核反而小，B、C选项错误；中等质量原子核选项错误；中等质量原子核的平均结合能比轻核的大，它的原子核内核子数又比轻核多，的平均结合能比轻核的大，它的原子核内核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，因此它的结合能也比轻核大，D选项正确选项正确 借题发挥借题发挥 结合能、平均结合能的对比理解结合能、平均结合能的对比理解 (1)核子结合成原子核时一定释放能量，原子核分解成核子时核子结合成原子核时一定释放能量，原子核分解成核子时一定吸收能量吸收或释放的能量越大，表明原子核的结合一定吸收能量吸收或释放的能量越大，表明原子核的结合 能越大能越大 (2)平均结合能为结合能与核子数的比值，平均结合能越大表平均结合能为结合能与核子数的比值，平均结合能越大表明原子核越稳定一般情况下，中等质量的原子核比轻核和明原子核越稳定一般情况下，中等质量的原子核比轻核和重核的平均结合能大重核的平均结合能大 针对训练针对训练 2 一一个中子与某原子核发生核反应，生成一个氘核，其个中子与某原子核发生核反应，生成一个氘核，其核反应方程式为核反应方程式为 _该反应放出的该反应放出的能量为能量为 Q，则氘核的平均结合能为，则氘核的平均结合能为 _ 答案答案 解析解析 1120n1H1H Q 2112方程式：方程式：0n1H1H 核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫原子核的结合能它核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫原子核的结合能它的结合能与核子数之比，称作平均结合能，由题意知氘核的核子的结合能与核子数之比，称作平均结合能，由题意知氘核的核子Q数为数为 2，所以平均结合能为，所以平均结合能为. 2三、质量亏损和核能的计算三、质量亏损和核能的计算 1对质能方程和质量亏损的理解对质能方程和质量亏损的理解 (1)质质能方程能方程 爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是联系，其关系是 Emc. (2)质量亏损质量亏损 质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了物体质量增加，则总能量随之程中以能量的形式辐射出去了物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写作增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写作Emc. 222核能的计算方法核能的计算方法 (1)根据质量亏损计算据质量亏损计算 根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损m. 根据爱因斯坦质能方程根据爱因斯坦质能方程Emc2计算核能计算核能 其中其中m的单位是千克，的单位是千克，E的单位是焦耳的单位是焦耳 (2)利用原子质量单位利用原子质量单位u和电子伏特计算和电子伏特计算 根据根据1原子质量单位原子质量单位(u)相当于相当于931.5 MeV的能量，用核子的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即，即Em931.5 MeV.其中其中m的单位是的单位是u，E的单位是的单位是MeV. 【例【例 3】 2342某某核反应方程为核反应方程为1H1H2HeX.已知已知1H 的质量为的质量为 2.013 36 u，1H 的质量为的质量为43.018 0 u ，2He 的质量为的质量为 4.002 6 u ，X 的质量的质量为为 1.008 7 u 则下列说法中正确的是则下列说法中正确的是 ( ) AX 是质子，该反应释放能量是质子，该反应释放能量 BX 是中子，该反应释放能量是中子，该反应释放能量 CX 是质子，该反应吸收能量是质子，该反应吸收能量 DX 是中子，该反应吸收能量是中子，该反应吸收能量 答案答案 B 解析解析 由题目所给核反应方程式，根据核反应过程质量数、电荷数由题目所给核反应方程式，根据核反应过程质量数、电荷数2341守恒规律，可得守恒规律，可得1H1H2He0X，X 为中子，在该反应发生前反为中子，在该反应发生前反应物的总质量应物的总质量 m12.013 6 u 3.018 0 u 5.031 6 u ，反应后产物总，反应后产物总质量质量 m24.002 6 u1.008 7 u 5.011 3 u 总质量减少，出现了质总质量减少，出现了质量亏损量亏损 根据爱因斯坦的质能方程可知该反应释放能量，根据爱因斯坦的质能方程可知该反应释放能量， 故故 B 正确正确 借题发挥借题发挥 在核反应中，是释放能量还是吸收能量，需要确在核反应中，是释放能量还是吸收能量，需要确定反应前、后质量的变化若反应后质量减少即发生了质量定反应前、后质量的变化若反应后质量减少即发生了质量亏损，则释放出能量，反之吸收能量由于不明确质量亏损亏损，则释放出能量，反之吸收能量由于不明确质量亏损 的含义与能量的关系，易误选的含义与能量的关系，易误选D.注意此反应过程质量发生亏注意此反应过程质量发生亏损，释放出能量损，释放出能量 【例【例 4】 已已知氮核质量知氮核质量 mN14.007 53 u，氧，氧 17 核的质量核的质量 mO17.004 54 u ，氦核质量氦核质量 mHe4.003 87 u ，氢核质量氢核质量 mH1.008 15 144171u，试判断：，试判断： 7N2He 8O1H 这一核反应是吸收能量还是这一核反应是吸收能量还是放出能量？能量变化是多少？放出能量？能量变化是多少？ 答案答案 吸收能量吸收能量 1.2 MeV 解析解析 反应前总质量：反应前总质量：mNmHe18.011 40 u ，反应后总质，反应后总质量：量：mOmH18.012 69 u 可以看出：反应后总质量增加，可以看出：反应后总质量增加，故该反应是吸收能量的反应吸收的能量利用故该反应是吸收能量的反应吸收的能量利用Emc2来来 计算，若反应过程中质量增加计算，若反应过程中质量增加1 u，就会吸收，就会吸收931.5 MeV 的能的能量，故量，故E(18.012 69 18.011 40) 931.5 MeV 1.2 MeV. 针对训练针对训练 3 在在某些恒星内，某些恒星内，3 个个 粒子结合成粒子结合成 1子的质量是子的质量是1.6610412.000 0 u，2He12个个 6C12核，核， 6C 原原原子的质量是原子的质量是 4.002 6 u已知已知 1 u27 kg，则下列选项错误的是，则下列选项错误的是 ( ) A反应过程中的质量亏损是反应过程中的质量亏损是 0.007 8 u B反应过程中的质量亏损是反应过程中的质量亏损是 1.291029 kg C反应过程中释放的能量是反应过程中释放的能量是 7.27 MeV D反应过程中释放的能量是反应过程中释放的能量是 1.161019 J 答案答案 D 解析解析 由题意可得核反应方程为由题意可得核反应方程为3HeCE，则核反应中，则核反应中的质量亏损为的质量亏损为m(34.002 6 12. 000 0) u 0.007 8 1.661027 kg1.291029 kg，由质能方程得，由质能方程得E mc21.291029(3108)2 J1.161 1012 J7.27 MeV，故故A、B、C正确，正确，D错错.