5 5核力与结合能1.了解四种基本相互作用,知道什么是核力,了解核力的特点。2.认识原子核的结合能和质量亏损。3.能应用质能方程进行相关分析与计算。一二三四一、核力与四种基本相互作用1.核力是强相互作用的一种表现,在它的作用范围内,核力比库仑力大得多。2.核力是短程力,作用范围在1.510-15 m之内。核力在大于0.810-15 m时表现为吸引力,且随距离的增大而减小,超过1.510-15 m时,核力急剧下降几乎消失;而在距离小于0.810-15 m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起。3.每个核子只跟邻近的核子发生核力作用,这种性质称为核力的饱和性。4.引起原子核衰变的原因是弱相互作用,该作用也是短程力,其力程比强力更短,为10-18 m,作用强度比电磁力小。一二三四二、原子核中质子与中子的比例1.轻原子核:自然界中较轻的原子核,质子数与中子数大致相等。2.重原子核:对于较重的原子核,中子数大于(选填“大于”或“小于”)质子数,越重的元素,两者相差就越大。是否只有带电的质子之间存在核力,而中子之间不存在核力呢?提示：不是。核力与核子是否带电无关,质子与质子之间、质子与中子之间、中子与中子之间都可以有核力作用。一二三四三、结合能1.结合能:原子核是凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开,也需要能量,这就是原子核的结合能。2.比结合能:结合能与核子数之比称为比结合能。比结合能越大,原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。一二三四四、质量亏损1.质量亏损:原子核的质量小于组成它的核子的质量之和,这个现象叫质量亏损。2.爱因斯坦质能方程:E=mc2。3.核能的计算:E=mc2,其中m是质量亏损。质量亏损是不是这部分质量消失了或转变为能量了呢?提示：物体的质量包括静止质量和运动质量,质量亏损指的是静止质量的减少,并不是这部分质量消失了或转变为能量。一二一、对结合能和质量亏损的理解1.结合能和比结合能。原子核是核子结合在一起构成的,要把核子分开,就需要能量,这就是原子核的结合能。结合能的大小可以用E=mc2进行计算。对某种原子核,平均每个核子的结合能就是比结合能。比结合能 (1)比结合能的大小反映核的稳定程度,比结合能越大,原子核就越难拆开,表示原子核越稳定。(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核,比结合能都比较小,中等核子数的原子核比结合能较大。(3)比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时要释放能量。一二2.对质能方程和质量亏损的理解。(1)质量或能量是物质的属性之一,绝不能把物质和它们的某一属性(质量或能量)等同起来。(2)质能方程揭示了质量和能量的不可分割性,建立了这两个属性在数值上的关系,这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒,质量和能量在数值上的联系绝不等于这两个量可以相互转化。(3)质量亏损不是否定了质量守恒定律。根据爱因斯坦的相对论,辐射出的光子静质量虽然为零,但它有动质量,而且这个动质量刚好等于亏损的质量,所以质量守恒、能量守恒仍成立。一二二、核能的计算1.判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法。反应前各核总质量之和若大于反应后各核总质量之和,则为释放能量;反之,为吸收能量。即m=m反应物-m生成物0,释放能量;m=m反应物-m生成物0,吸收能量。2.根据质量亏损计算。其步骤如下:(1)根据核反应方程,计算核反应前和核反应后的质量亏损m。(2)根据爱因斯坦质能方程E=mc2或E=mc2计算核能。注意:计算过程中m的单位是千克,E的单位是焦耳。一二3.利用原子质量单位u和电子伏特间的关系计算。(1)明确原子质量单位u和电子伏特间的关系:因为1 u=1.660 610-27 kg,则E=mc2=1.660 610-27(3.0108)2 J1.4910-10 J。又1 eV=1.610-19 J,则E=1.4910-10 J931.5 MeV。(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV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931.5 MeV,即E=m931.5 MeV。注意:m的单位是u,E的单位是MeV。一二4.利用比结合能来计算核能。原子核的结合能=核子的比结合能核子数。核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差,就是该次核反应所吸收(或释放)的核能。5.根据能量守恒和动量守恒来计算核能。参与核反应的粒子所组成的系统,在核反应过程中的动量和能量是守恒的。因此,在题给条件中没有涉及质量亏损,或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下,从动量和能量守恒可以计算出核能的变化。一二6.应用阿伏加德罗常数计算核能。若要计算具有宏观质量的物质中所有原子核都发生核反应所放出的总能量,应用阿伏加德罗常数计算核能较为简便。(2)由题设条件求出一个原子核与另一个原子核反应放出或吸收的能量E0(或直接从题目中找出E0)。(3)再根据E=NE0求出总能量。类型一类型二对结合能和质能方程的理解 【例题1】(多选)关于质能方程,下列说法正确的是()A.质量减少,能量就会增加,在一定条件下质量转化为能量B.物体获得一定的能量,它的质量也相应地增加一定值C.物体一定有质量,但不一定有能量,所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系D.某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的解析：质能方程E=mc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的,当物体获得一定的能量,即能量增加某一定值时,它的质量也相应增加一定值,并可根据E=mc2进行计算,故选项B、D正确。答案：BD类型一类型二题后反思核反应中的质量亏损,并不是这部分质量消失或质量转化为能量。物体的质量应包括静止质量和运动质量。质量亏损是静止质量的减少,减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量。另外,质量亏损也不是核子个数的减少,核反应中核子个数是不变的。类型一类型二核能的计算 点拨：由反应物和生成物的质量大小关系来判断反应是吸能反应还是放能反应。类型一类型二解析：先计算出质量亏损m,然后将1 u相当于931.5 MeV能量代入计算即可。反应前总质量为mN+m He=18.011 40 u反应后总质量为mO+mH=18.012 69 u因为反应中质量增加,所以此反应为吸能反应,所吸收的能量为E=(18.012 69-18.011 40)931.5 MeV=1.2 MeV。答案：吸能反应1.2 MeV类型一类型二题后反思处理这类问题时,准确计算出反应前后的质量差m是解题关键。触类旁通例题2中的核反应,如果是靠粒子碰撞N核发生的,试分析粒子应该具备多大的动能?(不要求定量计算,只作定性分析)答案：粒子所具有的动能应是产生的氧核、质子及反应中需要吸收的能量三者之和。