第5章 第3节 核力与核能（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

第3节　核力与核能 核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.认识核素图，知道核力的概念及特点。 2．知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小。 3．知道四种基本相互作用。 1.结合能及平均结合能的概念，知道核反应中的质量亏损。 2．掌握爱因斯坦质能方程，理解质量与能量的关系，能应用质能方程进行计算。 通过核能的学习，让学生了解核能对人类生活和社会发展的影响。 [对应学生用书P85] 知识点一 核力与核的稳定性、四种基本相互作用 1.核力与核的稳定性 (1)核力➊：把原子核中的核子➋维系在一起的力。 (2)核力特点：①核力是短程力；②核力是一种强相互作用。 (3)核素：具有一定质子数和中子数的原子核称为核素。 (4)核素图：用横坐标表示质子数，纵坐标表示中子数，每一种核素用一小方块表示，所得到的图像称为核素图(如图)。 (5)核的稳定性 ①核素的稳定区：几乎全落在一条曲线上，或紧靠曲线两侧的区域。 ②稳定核素的中子数与质子数的关系：随着质子数的增加，稳定核素的中子数越来越大于质子数。 2．四种基本相互作用 (1)长程力：长程力包括引力相互作用和电磁相互作用。 (2)短程力：短程力包括强相互作用和弱相互作用。 知识点二 结合能与平均结合能 1.结合能➌：自由核子结合成原子核所释放的能量称为原子核的结合能。 2．质量亏损 (1)质量亏损：任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和，这一差值称为质量亏损。 (2)结合能的计算：由爱因斯坦质能方程E＝mc2可知，核子结合成原子核时释放的结合能为ΔE＝Δmc2。 3．原子核的质量单位 (1)原子核的质量通常会用u表示，1 u＝1.660 5×10-27 kg。 (2)质量亏损1 u释放931.5_MeV的核能。 4．平均结合能 (1)定义：原子核的结合能与其质量数之比称为该核的平均结合能，又称为比结合能。 (2)意义：平均结合能反映了原子核结合的稳定程度或分裂的难易程度。平均结合能越大，原子核越难分离成单个，原子核越稳定。 (3)重核的平均结合能比中等质量核的要小，轻核的平均结合能比稍重的核的要小。 1．对质子数较多的原子核，其中的中子数起到增加核力、维系原子核稳定的作用。(√) 2．结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定。(×) 批注➊：核力是一种性质力。 批注➋：稳定的重原子核的中子数要比质子数多，因为中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，这有助于维系原子核的稳定。 批注➌：核反应前系统内所有原子核的总结合能与核反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的核能。 批注➍：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。 [对应学生用书P87] 探究点一　核力与核的稳定性　(物理观念之形成) ◆情境探究 如图为3 1H和3 2He的原子核结构示意图。 (1)质子都带正电，质子与质子之间存在着库仑斥力，为什么3 2He还能稳定地存在？ (2)自然界中存在的元素是有限的，为什么质子与中子不能随意地组合从而形成无数不同的原子核？ 答案：(1)核子之间还存在着核力作用。 (2)当核子增多时，原子核增大，核子间的距离也增大，当距离较大时，一些核子间可能就没有核力的作用了，这样形成的核不稳定，最终会瓦解。因此质子与中子不能随意地组合形成无数不同的原子核。 ◆探究归纳 1．核力的特点 (1)核力是四种相互作用中的强相互作用(强力)的一种表现。 (2)核力是短程力，核子只与相邻的少数核子有较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。 2．原子核中质子与中子的比例关系 (1)较轻的原子核质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多。 (2)形成原因 ①若质子与中子成对地人工构建原子核，随着原子核的增大，核子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快。所以当原子核增大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了。 ②若只增加中子，因为中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多。 ③由于核力的作用范围是有限的，若持续增大原子核，一些核子间的距离会大于核力的作用范围，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。 ◆对点例练 关于原子核中质子和中子的说法，正确的是(　　) A．原子核中质子数和中子数一定相等 B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多 C．原子核都是非常稳定的 D．由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，不可能无节制地增大原子核而仍能稳定存在 D　解析：原子核中质子数和中子数不一定相等，特别是在原子序数越大的原子核中，中子数比质子数大，且原子序数大的和原子序数小的都没有中等质量的原子核稳定，故A、B、C错误；由于核力是短程力，以及饱和性的特点，原子核不可能无节制地增大，故D正确。 核力的特点 核力与带电荷情况无关。无论是质子间、中子间、质子和中子间均存在核力，且是相同的。 [练1]　核子结合成原子核的下列说法中，正确的是(　　) A．原子核内的核子间均存在核力 B．原子核内的质子间均存在核力和库仑力 C．当n个核子靠近到核力作用的范围而结合为原子核时，其间势能一定增加 D．质子数较多的原子核，其中的中子起到增加核力、维系原子核稳定的作用 D　解析：由于核力为短程力，只会发生在相邻核子之间，与核子是否带电无关，由此知A、B错误；当n个核子靠近到核力作用范围内，而距离大于0.8×10-15 m时，核力表现为引力，在此过程中核力必做正功，其间势能必定减小，形成原子核后距离一般不小于0.8×10-15 m，故C错误；质子数较多的原子核由于只有相邻的核子间才有核力，但各个质子间均有很强的库仑斥力，随着质子数的增加，其库仑力增加，对于稳定的原子核，必须存在较多的中子才能维系二者的平衡，故D正确。 探究点二　结合能与平均结合能　质量亏损　(科学思维之提升) ◆要点归纳 结合能、平均结合能(比结合能)和平均结合能(比结合能)曲线 结合能 把原子核分成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量 平均结合能(比结合能) 等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比值，它反映了原子核的稳定程度 平均结合能(比结合能)曲线 不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图所示 从图中可看出，中等大小的核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等大小的核的比结合能要小 ◆对点例练 (2022·甘肃庆阳第六中学高二期末)原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的是(　　) A． 235 92U核的结合能比 89 36Kr核的大 B． 235 92U核比 89 36Kr核稳定 C．两个2 1H核结合成4 2He释放28 MeV能量 D．6 3Li核的结合能约为15 MeV A　解析：核子数越多，结合能越大，则 235 92U核的结合能比89 36Kr核的大，A正确；比结合能越大，原子核越稳定，由题图可知89 36Kr核的比结合能比 235 92U核的大，则89 36Kr核比 235 92U核稳定，B错误；由题图可知4 2He核的比结合能约为7 MeV，则24He核的结合能约为4×7 MeV＝28 MeV，根据结合能定义可知，单个自由的核子结合成4 2He核释放的能量为28 MeV，则两个2 1H核结合成4 2He释放的能量必定小于28 MeV，C错误；由题图可知6 3Li核的比结合能约为5 MeV，则6 3Li核的结合能约为6×5 MeV＝30 MeV，D错误。 结合能与比结合能关系 (1)结合能大的原子核，比结合能不一定大，结合能小的原子核，比结合能不一定小。 (2)核的大小与原子核稳定的关系方面：中等大小核的比结合能最大、原子核最稳定。 [练2](多选)(2022·重庆巴蜀中学高二期末)钚的一种同位素239 94Pu衰变时释放巨大能量，如图所示，其衰变方程为 239 94Pu→235 92U＋4 2He＋γ，则(　　) A．核反应中γ的能量就是239 94Pu的结合能 B．核燃料总是利用平均结合能小的核 C． 235 92U核比 239 94Pu核更稳定，说明 92235U核的结合能大 D．该衰变过程是α衰变 BD　解析：核反应中γ的能量是结合能中的一小部分，故A错误；核燃料在衰变过程中要释放巨大能量，所以总是要利用平均结合能小的核，才更容易实现，故B正确； 235 92U的比结合能大，更稳定，故C错误；该反应产生4 2He，故该衰变过程是α衰变，故D正确。 探究点三　质能方程与核能的计算　(科学思维之提升) ◆情境探究 如图所示的是原子核转变示意图。 (1)在核反应过程中质量数、核电荷数是否守恒？ (2)在该核反应过程中会释放出能量，反应前后原子核的质量是否会发生变化？ 答案：(1)在核反应中，质量数、核电荷数是守恒的。 (2)会发生变化，是减少的。 ◆探究归纳 1．对质量亏损Δm的理解 所谓质量亏损，并不是质量消失，而是减少的质量在核子结合成核的过程中以光子的形式辐射出去了。反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给。 2．对质能方程E＝mc2的理解 (1)根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比。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ΔE＝Δmc2。 (2)运用质能方程时应注意单位。一般情况下，公式中各量都应取国际单位制单位。但在微观领域，用国际单位制单位往往比较麻烦，习惯上常用“原子质量单位”和“电子伏特”作为质量和能量的单位，1 u对应931.5 MeV能量。 3．核能的计算方法 (1)根据质量亏损计算 根据核反应过程，计算核反应前和核反应后的质量亏损Δm，再根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能。 ①若Δm的单位是千克，则需要将c＝3×108 m/s代入，计算得到的ΔE的单位为焦耳。 ②若Δm的单位是原子质量单位u，则可用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算，即用质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV。(1 u相当于931.5 MeV) (2)利用平均结合能来计算核能 原子核的结合能＝核子的平均结合能×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，就是该核反应所释放(或吸收)的核能。 ◆对点例练 (2022·山东威海高二期末)“硼中子俘获疗法”是治疗肿瘤的新技术，其原理是进入癌细胞内的硼核( 10 5B)吸收慢中子后变的不稳定，会转变成一个新核和一个α粒子，同时释放出γ射线。一个硼核吸收一个中子后处于静止状态，然后发生核反应，此过程中释放的核能一部分转化为新核和α粒子的动能，另一部分以γ射线的形式释放。已知新核的动能为E，γ射线的能量为E0，真空中的光速为c。 (1)写出核反应方程； (2)求核反应过程中亏损的质量。 答案：(1)10 5B＋1 0n→ 7 3Li＋4 2He＋γ　(2) 解析：(1)根据反应前后质子数、质量数守恒可得： 10 5B＋1 0n→ 7 3Li＋4 2He＋γ (2)根据动量守恒：pα＝－p新核 动能和动量的关系：Ek＝，可得＝ 反应过程中放出的能量ΔE＝Ek新＋Ekα＋E0 根据质能方程ΔE＝Δmc2 解得Δm＝＝。 核能的两种单位换算技巧 (1)若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2。 (2)若以原子单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×931.5 MeV。 (3)两种方法计算核能的单位分别为“J”和“MeV”，1 MeV＝1×106×1.6×10-19 J＝1.6×10-13 J [练3] (2022·陕西宝鸡高二期末)已知一种核聚变的方式是两个氘核通过核反应产生一个23He核和一个中子，其中氘核的质量为2.013 u，该氦核的质量为3.015 u，中子的质量为1.008 7 u，已知1 u相当于931.5 MeV的能量。 (1)写出核反应方程； (2)求该核反应方程释放的能量E(计算结果保留四位有效数字)。 答案：(1)12H＋12H→23He＋01n　(2)2.142 MeV 解析：(1)核反应方程为：12H＋12H→23He＋01n (2)核反应中的质量亏损为： Δm＝2mH－mHc－mn＝0.002 3 u 则释放的能量：E＝0.002 3×931.5 MeV≈2.142 MeV。 探究点四　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练4] (科技情境)雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(νe)而获得了诺贝尔物理学奖。他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615 t四氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶。电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为νe＋1737Cl→1837Ar＋－1　0e，已知1737Cl核的质量为36.956 58 u，1837Ar核的质量为36.956 91 u，－1　0e质量为0.000 55 u，1 u对应的能量为931.5 MeV。根据以上数据，可以判断参与上述反应中电子中微子的最小能量为(　　) A．0.82 MeV B．0.31 MeV C．1.33 MeV D．0.51 MeV A　解析：先计算出核反应过程中质量的增加量为Δm＝36.956 91 u＋0.000 55 u－36.956 58 u＝0.000 88 u，再由爱因斯坦的质能方程得所需要的能量ΔE＝Δmc2＝0.000 88 u×931.5 MeV≈0.82 MeV，A正确。 [练5] (科学情境)(多选)2021年4月13日，日本政府不计后果决定将福岛核废水排放入海，引起国际社会的共同谴责，核废水即使经过处理，还是会含有氚、锶90、铯137、碘129等放射性元素，核废水一旦入海将在57天内扩散至太平洋大半个区域，10年后蔓延至全球海域。其中137 55Cs是最具危害的放射性元素，半衰期为30年。它能通过β衰变放射出β射线，并衰变为新核，用X表示其元素符号，则下列说法正确的是(　　) A．铯发生β衰变的衰变方程为 137 55Cs→137 56X＋0 －1e B．20个铯核发生β衰变时，经过60年，一定还有5个铯核未发生衰变 C．铯发生β衰变时，β射线是由原子核外的电子电离而产生 D. 137 56X的比结合能比 137 55Cs大 答案：AD [练6] (科技情境)2020年12月4日，我国新一代“人造太阳”中国环流器二号M装置实现首次放电，标志着我国可控核聚变技术取得了重大突破。核聚变中，一种常见的核反应方程为 3 1H＋2 1H→4 2He＋X＋E(式中E为能量)，则(　　) A．X是中子，反应后总质量减少 B．X是中子，反应后总质量增加 C．X是质子，反应后总质量减少 D．X是质子，反应后总质量增加 A　解析：由核反应过程中质量数、电荷数守恒可知，X是中子，由爱因斯坦的质能方程ΔE＝Δmc2 得，反应后总质量减少，A正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$