第5章 第三节 核力与核反应方程（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第三节　核力与核反应方程 核心素养导学 物理观念 (1)知道原子核的组成和核反应方程的书写。 (2)知道四种基本相互作用，知道核力的性质。 (3)认识原子核的结合能和比结合能的概念。 (4)知道质量亏损和质能方程。 科学思维 能用质量亏损和质能方程计算核能相关的问题。 科学探究 结合能、比结合能与原子核的稳定性的关系。 科学态度与责任 关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。 一、原子核的组成　核反应方程 1．质子的发现 1919年，卢瑟福用______轰击氮原子核，发现了____，它是______的组成部分。 2．中子的发现 因实际上绝大部分原子核的电荷数只是质量数的一半或者还少一些，卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着另一种粒子，它的质量与质子相同，但是不带电，称为中子。后来，卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了这个猜想。 α粒子 质子 原子核 质子和中子 核子 高速粒子 粒子 原子核 反应能 守恒 二、核力及四种基本相互作用 1．强相互作用——核力：存在于原子核的核子之间很强的相互作用力，是引力、强力、______力。 2．万有引力：引力把行星和恒星聚在一起，组成太阳系、银河系和其他星系，是自然界的一种基本相互作用。 3．电磁相互作用：_____间的相互作用、磁体间的相互作用，其本质上说是同一种相互作用的不同表现。宏观物体之间的压力、拉力、弹力、支持力等，都起源于电荷之间的电磁相互作用。 4．弱相互作用：是引起原子核β衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因，也是短程力，其力程比强相互作用更短，只有10－18 m。 短程 电荷 三、结合能 1．结合能 (1)定义：核子结合成原子核时会放出一定的_____，这个能量叫作原子核的结合能。 (2)比结合能(平均结合能)：原子核的结合能与_______之比，叫作比结合能。比结合能_____，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。 能量 核子数 越大 2．质量亏损 (1)爱因斯坦质能方程：___________。 (2)质量亏损：原子核的质量_____组成它的核子的质量之和的现象。 ΔE＝Δmc2 小于 1.1919年，卢瑟福用镭放射出的α粒子轰击氮原子核，从氮原子核中打出了一种新的粒子——质子。以后，人们用同样的方法从氟、钠、铝等原子核中都打出了质子，由此断定，质子是原子核的组成部分。绝大多数原子核的质量与电荷量之比都大于质子的相应比值。卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着另一种粒子，它的质量与质子相同，但是不带电，他把这种粒子叫作中子。1932年，卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了这个猜想。 请对以下说法作出判断： (1)质子和中子都不带电，是原子核的组成成分，统称为核子。 ( ) (2)原子核的电荷数等于核内的质子数，也就是这种元素的原子序数。 ( ) (3)同位素具有不同的化学性质。 ( ) (4)原子核的电荷数就是原子核所带的电荷量。 ( ) (5)原子核的质量数就是原子核内质子和中子的总质量。 ( ) × √ × × × 2．质子的质量mp＝1.67×10－27 kg，电荷量q＝1.6×10－19C，相距r＝1.0×10－15m的两个质子。 (1)它们的静电力和万有引力分别多大？ (2)这两个质子能否靠万有引力克服静电力排斥而吸在一起？ 3．(1)将一个质子和一个中子结合成一个氘核，能量减小了，是否违反了能量守恒定律？为什么？ (2)将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了，是否违反了质量守恒定律？为什么？ 提示：(1)没有违反能量守恒定律；减少的这部分能量以γ光子的形式释放出去。 (2)没有违反质量守恒定律；减小的那部分质量等于γ光子的动质量。 新知学习(一)|原子核的组成与数量关系 [任务驱动] 汤姆孙通过确定阴极射线的电性和电荷量，猜测电子来源于原子，通过换用不同的材料作阴极得到相同的阴极射线，证明了电子是原子的组成部分；天然放射线是从原子核中射出的，使人们认识到原子核可分，进而才有质子、中子的发现。 (1)质子是由谁发现的？怎样发现的？ 提示：卢瑟福用α粒子轰击氮核，发现质子。 (2)中子是由谁发现的？依据是什么？ 提示：查德威克发现中子。发现依据：如果原子核中只有质子，那么原子核的质量与电荷量之比应等于质子的质量与电荷量之比，但实际却是，绝大多数情况下前者的比值较大，卢瑟福猜想核内还有另一种粒子。查德威克通过实验证实了这个猜想。 2．对核子数、电荷数、质量数的理解 (1)核子数：质子和中子质量差别非常微小，二者统称为核子，所以质子数和中子数之和叫作核子数。 (2)电荷数(Z)：原子核所带的电荷等于质子电荷的整数倍，通常用这个整数表示原子核的电荷量，叫作原子核的电荷数。 (3)质量数(A)：原子核的质量等于核内质子和中子的质量总和，而质子与中子质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫作原子核的质量数。 [典例体验] [典例]　已知镭的原子序数是88，原子核质量数是226。试问： (1)镭核中有多少个质子？多少个中子？ (2)镭核所带的电荷量是多少？ (3)呈中性的镭原子，核外有多少个电子？ [解析]　(1)镭核中的质子数等于其原子序数，故质子数Z为88，中子数N等于原子核的质量数A与质子数Z之差，即N＝A－Z＝226－88＝138。 (2)镭核所带电荷量： Q＝Ze＝88×1.6×10－19C≈1.41×10－17 C。 (3)核外电子数等于核电荷数，故核外电子数为88。 [答案]　(1)88　138　(2)1.41×10－17 C　(3)88 /方法技巧/ 原子核的“数”与“量”辨析 (1)核电荷数与原子核的电荷量是不同的，组成原子核的质子的电荷量都是相同的，所以原子核的电荷量一定是质子电荷量的整数倍，核内的质子数叫作核电荷数，而这些质子所带电荷量的总和才是原子核的电荷量。 (2)原子核的质量数与质量是不同的，也与元素的原子量不同。原子核内质子和中子的总和叫作核的质量数，原子核的质量等于质子和中子的质量的总和。 /易错警示/ 书写核反应方程时应注意以下三点 (1)核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单向箭头表示反应方向。 (2)核反应方程应以实验事实为基础，不能凭空编造。 (3)核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中，一般会发生质量的变化。 新知学习(三)|对比结合能的理解 [重点释解] 1．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，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小。 2．比结合能与原子核稳定性的关系 (1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该核越稳定。 (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，表示原子核不太稳定；中等质量大小的核比结合能较大，表示原子核较稳定。 (3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可释放核能。例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。 /方法技巧/ 结合能的应用技巧 (1)组成原子核的核子越多，结合能越大。 (2)结合能与核子个数之比称为比结合能，比结合能越大原子核越稳定。 (3)结合能通常只用在原子核中。 [针对训练] 1．(多选)关于原子核的结合能与平均结合能，下列说法中正确的是 (　 ) A．原子核的结合能等于核子与核子之间结合成原子核时核力做的功 B．原子核的结合能等于核子从原子核中分离，外力克服核力做的功 C．平均结合能是核子与核子结合成原子核时平均每个核子放出的能量 D．不同原子核的平均结合能不同，重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能大 解析：原子核中，核子与核子之间存在核力，要将核子从原子核中分离，需要外力克服核力做功；当自由核子结合成原子核时，核力将做功，释放能量，故A、B正确；对某种原子核，平均每个核子的结合能称为平均结合能，故C正确；不同原子核的平均结合能不同，重核的平均结合能比中等质量原子核的平均结合能要小，故D错误。 答案：ABC　 新知学习(四)|质能方程与核能计算 [任务驱动] 如图所示是原子核转变示意图。 (1)在核反应过程中质量数、电荷数是否守恒？ 提示：在核反应过程中质量数与电荷数守恒。 (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？ 提示：核反应过程中会发生质量亏损。 [重点释解] 1．质量亏损 (1)科学家研究证明在核反应中原子核的总质量并不相等。例如，精确计算表明：氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些，这种现象叫作质量亏损，质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来。 (2)Δm是核反应前与核反应后的质量之差。 2．质能方程E＝mc2 爱因斯坦指出，物体的能量(E)和质量(m)之间存在着密切的关系，即E＝mc2，式中c为真空中的光速。爱因斯坦质能方程表明：物体所具有的能量跟它的质量成正比。由于c2这个数值非常大，因而物体的能量是十分可观的。 3．核能的计算方法 (1)根据质量亏损计算 ①根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损Δm。 ②根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能。其中Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳。 (2)利用原子质量单位u和电子伏特计算 根据1 u≈931.5 MeV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931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV。其中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV。 4．判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法 (1)根据反应前后质量的变化情况进行判断，若质量减少即发生了亏损，则释放能量；若质量增加，则吸收能量。 (2)根据动能变化判断，若不吸收光子而动能增加则放出能量。 36 [针对训练] 1．下列说法中正确的是 (　 ) A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化 B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系 C．核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变成为能量 D．因在核反应中能产生能量，且有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒 解析：E＝mc2说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，并不是说明能量和质量之间存在相互转化的关系，A错误，B正确；核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变成能量，C错误；在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，在核反应前后只是物质的质量由静质量变成动质量，D错误。 答案：B　 科学态度与责任——核能的利用 2．(选自沪科版新教材课后练习)皮埃尔·居里在1903年说：“人类从未来的发现所得到的好处将比坏处更多。”卢瑟福在1915年说：“我希望人们在学会和平相处之前，不要释放镭的内部能量。”两位科学家的意见是互为对照的。结合本节内容，请说说你的看法。 提示：核能的利用既可以造福于人类，给人类带来利益，例如核能发电，也可能带来危害，例如原子弹等。 “课时跟踪检测”见“课时跟踪检测” （十六） (单击进入电子文档) 49 3．原子核的组成：原子核由___________组成，中子和质子统称为_____。 4．原子核的符号 5．核反应方程 (1)核反应：利用天然放射性的________或人工加速的____去轰击原子核，以产生新的_______，这个过程叫作核反应。核反应过程中放出或吸收的能量叫作______。 (2)发现质子的核反应方程为____________________。 (3)发现中子的核反应方程为Be＋He―→C＋n。 (4)遵循规律：在核反应过程中，方程两边总的质量数和电荷数是_____的。 N＋He―→O＋H 提示：(1)由F＝k和F引＝G，分别求得两个质子的静电力约为F＝2.3×102 N，万有引力约为F引＝1.9×10－34 N。 (2)万有引力远小于静电力，故两个质子不能靠万有引力克服静电力排斥而吸在一起。 [重点释解] 1．原子核的大小、组成 [针对训练] 1．下列说法中正确的是 (　 ) A．氦4核中有4个质子，2个中子 B．氦4核与氦3核不是互为同位素 C.Be中的质子数比中子数少6 D.Si中的质子数比中子数少2 解析：氦4核中有2个质子，2个中子，故A错误；氦4核与氦3核是互为同位素，故B错误；Be中的质子数比中子数少2，故C错误；Si的质子数比中子数少2，故D正确。 答案：D　 2．(2024·广西高考)近期，我国科研人员首次合成了新核素锇—160(Os)和钨—156(W)。若锇—160经过1次α衰变，钨－156经过1次β＋衰变(放出一个正电子)，则上述两新核素衰变后的新核有相同的(　　) A．电荷数 B．中子数 C．质量数 D．质子数 解析：锇—160经过1次α衰变后产生的新核质量数为156、质子数为74，钨—156经过1次β＋衰变后产生的新核质量数为156、质子数为73，可知两新核素衰变后的新核有相同的质量数。故选C。 答案：C　 新知学习(二)|核反应方程的书写 [重点释解] 核反应方程的书写规则 (1)核反应方程必须遵守电荷数守恒和质量数守恒。 (2)核反应方程中的箭头“―→”表示核反应进行的方向，不能把箭头写成等号。 (3)写核反应方程必须要有实验依据，决不能毫无根据的编造。 (4)要求记住常见粒子的符号表示：质子(H)、中子(n)、电子(e)、正电子(e)、α粒子(He)等。 [典例体验] [典例]　以下是物理学史上3个著名的核反应方程： x＋Li―→2y　　y＋N―→x＋O　 y＋Be―→z＋C x、y和z是3种不同的粒子，其中z是 (　 ) A．α粒子　　　　　　　 B．质子 C．中子 D．电子 [解析]　根据核反应中质量数和电荷数守恒，可知3个核反应方程为H＋Li―→2He，He＋N―→H＋O，He＋Be―→n＋C，由以上核反应方程可知z为中子，选项C正确。 [答案]　C 1．(2024·河北高考)锂是新能源汽车、储能和信息通信等新兴产业的关键材料。研究表明，锂元素主要来自宇宙线高能粒子与星际物质的原子核产生的散裂反应，其中一种核反应方程为6C＋H―→Li＋2H＋X，式中的X为(　　) A.n　　　 B.e C.e　　　 D.He 解析：根据核反应前后质量数和电荷数守恒得A＝12＋1－7－2×1＝4，Z＝6＋1－3－2×1＝2，故式中的X为He，故选D。 答案：D　 [针对训练] 答案：C　 2．(2024·广东高考)我国正在建设的大科学装置——“强流重离子加速器”，其科学目标之一是探寻神秘的“119号”元素，科学家尝试使用核反应Y＋Am―→X＋2n产生该元素。关于原子核Y和质量数A，下列选项正确的是(　　) A．Y为Fe，A＝299 B．Y为Fe，A＝301 C．Y为Cr，A＝295 D．Y为Cr，A＝297 解析：根据核反应方程Y＋Am―→X＋2n和电荷数守恒，设Y的电荷数为y，则有y＋95＝119＋0，可得y＝24，即Y为Cr；根据质量数守恒，则有54＋243＝A＋2，可得A＝295。 [典例体验] [典例]　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.He核比Li核更稳定 B.He核的结合能约为14 MeV C．两个H核结合成He核时吸收能量 D.U核中核子的平均结合能比Kr核中核子的平均结合能大 [解析]　比结合能越大，原子核越稳定，由题图可知，氦核的比结合能比锂核的比结合能大，则He核比Li核更稳定，A正确；由题图可知，氦核的比结合能大约为7 MeV，氦核的核子数为4，则氦核的结合能大约为28 MeV，故B错误；两个H核结合成He核时有质量亏损，释放能量，C错误；由题图可知，U核中核子的平均结合能比Kr核中核子的平均结合能小，故D错误。 [答案]　A 2．氚是核污水中难以去除的放射性物质，会发生β衰变生成He，半衰期约为12年。则 (　 ) A．β衰变方程为H―→He＋e B．β衰变中释放的能量为氚的结合能 C．H的比结合能比He的比结合能大 D．核污水中氚的含量减少一半需要约6年 解析：根据核反应，电荷数守恒，质量数守恒可得H―→He＋e，这是β衰变，A正确；放射性原子核发生衰变时，释放的能量通常以两种形式存在，一是产物粒子的动能，二是高能光子，B错误；氚β衰变时释放能量，故H的比结合能比He的比结合能小，C错误；发生β衰变生成He，半衰期约为12年，即没有发生衰变的核污水中氚的含量减少一半需要约12年，D错误。 答案：A [典例体验] [典例]　H的质量是3.016 050 u，质子的质量是1.007 277 u，中子的质量是1.008 665 u。1 u相当于931.5 MeV的能量。 (1)写出一个质子和两个中子结合为氚核时的核反应方程。 (2)一个质子和两个中子结合为氚核时，是吸收还是放出能量？该能量为多少？ (3)氚核的结合能和比结合能各是多少？(计算结果均保留三位有效数字) [解析]　(1)根据电荷数守恒、质量数守恒，一个质子和两个中子结合为氚核时，有H＋2n―→H。 (2)2个中子和1个质子结合成氚核时质量亏损为Δm＝mp＋2mn－mH＝1.007 277 u＋2×1.008 665 u－3.016 050 u＝0.008 557 u，所以该反应放出能量；放出的能量为ΔE＝0.008 557×931.5 MeV≈7.97 MeV。 (3)2个中子和1个质子结合成氚核时放出的能量为7.97 MeV，所以氚核的结合能为7.97 MeV，氚核的比结合能为＝ MeV≈2.66 MeV。 [答案]　(1)H＋2n―→H　(2)放出能量，该能量为7.97 MeV　(3)7.97 MeV　2.66 MeV 2．(2024·惠州高二检测)原子核A、B结合成放射性原子核C时会释放能量，核反应方程是A＋B―→C，已知原子核A、B、C的质量分别为mA、mB、mC，结合能分别为EA、EB、EC，以下说法正确的是(　　) A．原子核A、B、C中比结合能最小的是原子核C B．原子核A、B结合成原子核C，释放的能量ΔE＝(mA＋mB－mC)c2 C．原子核A、B结合成原子核C，释放的能量ΔE＝EA＋EB－EC D．大量原子核C经历两个半衰期时，已发生衰变的原子核占原来的 解析：原子核的结合能是独立核子结合成该核时释放的能量。原子核A、B结合成放射性原子核C时会释放能量，原子核C的比结合能最大，释放的能量为ΔE＝EC－(EA＋EB)，根据爱因斯坦质能方程得ΔE＝(mA＋mB－mC)c2，故A、C错误，B正确；原子核的半衰期是原子核有半数发生衰变所需要的时间，大量原子核C经历两个半衰期时，未发生衰变的原子核占原来的，故D错误。 答案：B　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 科学思维——核能的计算 1．(选自鲁科版新教材课后练习)某次核反应中，U变成Xe和Sr，同时释放出若干中子。U的平均结合能约为7.6 MeV，Xe的平均结合能约为8.4 MeV，Sr的平均结合能约为8.7 MeV。 (1)把U分解成核子时，要吸收多少能量？ (2)使相应的核子分别结合成Xe和Sr时，要释放出多少能量？ (3)在这个核反应中是吸收能量还是释放能量？这个能量大约是多少？ 解析：(1)原子结合能即核子结合成相应原子核时释放的能量。原子结合能的大小等于将原子核分解成核子时吸收的能量，故将U分解成核子时，吸收的能量大小等于其结合能，故会吸收能量E1＝235×7.6 MeV＝1 786 MeV； (2)将相应的核子结合成Xe时要释放的能量为E2＝136×8.4 MeV＝1 142.4 MeV，将相应的核子结合成Sr时，要释放的能量为E3＝90×8.7 MeV＝783 MeV； (3)这个核反应释放的能量为E＝E2＋E3－E1＝1 142.4 MeV＋783 MeV－1 786 MeV＝139.4 MeV>0，故会释放约139.4 MeV能量。 答案：(1)1 786 MeV　(2)1 142.4 MeV　783 MeV　(3)释放能量　139.4 MeV 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．现有两动能均为E0＝0.35 MeV的H在一条直线上相向运动，两个H发生对撞后能发生核反应，得到He和新粒子，且在核反应过程中释放的能量完全转化为He和新粒子的动能。已知H的质量为2.014 1 u，He的质量为3.016 0 u，新粒子的质量为1.008 7 u，核反应时质量亏损1 u释放的核能约为931 MeV(如果涉及计算，结果保留整数)。则下列说法正确的是 (　 ) A．核反应方程为H＋H―→He＋H B．核反应前后不满足能量守恒定律 C．新粒子的动能约为3 MeV D.He的动能约为4 MeV 解析：由核反应过程中的质量数和电荷数守恒可知H＋H―→He＋n，则新粒子为中子n，所以A错误；核反应过程中质量亏损，释放能量，亏损的质量转变为能量，仍然满足能量守恒定律，B错误；由题意可知ΔE＝(2.014 1 u×2－3.016 0 u－1.008 7 u)×931 MeV/u≈3.3 MeV，根据核反应中系统的能量守恒有EkHe＋Ekn＝2E0＋ΔE，根据核反应中系统的动量守恒有pHe－pn＝0由Ek＝，可知＝，解得EkHe＝(2E0＋ΔE)≈1 MeV，Ekn＝(2E0＋ΔE)≈3 MeV，所以C正确，D错误。 答案：C　 2．钋210(Po)是一种放射性很强的同位素，为了探测射线的性质，真空室中在放射源钋210的对侧放置一荧光屏，可以根据荧光屏上的打点情况来检测射线的强弱。 (1)在放射源与荧光屏之间不加任何场时发现荧光屏的中间有闪光产生，当施加一垂直的匀强磁场时，发现荧光屏的闪光都向一侧偏移，撤去磁场在放射源与荧光屏中间放一厚纸，发现荧光屏上没有闪光产生，请你根据上面的情况分析判断是什么射线，同时写出衰变方程(新原子核用Y表示)。 (2)α粒子以初速度v0轰击静止的氮14原子核打出一种新的粒子，同时产生一个新的原子核，新的原子核速度为3v0，且方向不变，反应过程中释放的能量完全转化为系统的动能，已知中子质量为m，质子质量和中子质量相等，光速为c，试计算此反应过程中的质量亏损。 解析：(1)因为α粒子的穿透本领较小，一张纸即可把它挡住，而β射线和γ射线都可以穿透纸，所以该射线是α射线，该衰变为α衰变，所以衰变方程为 Po―→Y＋He。 (2)根据物理学史可知，用α粒子轰击静止的氮14原子核打出一种新的粒子，即质子，则新原子核的质量数为A＝14＋4－1＝17，核电荷数为Z＝7＋2－1＝8，核反应方程为He＋N―→O＋H，设α粒子、新核的质量分别为4m、17m，质子的速度为v，对心正碰，选取α粒子运动的方向为正方向，由动量守恒定律得4mv0＝17m·3v0＋mv，解得v＝－47v0， 释放的核能为ΔE＝·17m(3v0)2＋m·(47v0)2－·4mv02＝1 179mv02， 由质能方程得ΔE＝Δm·c2， 所以Δm＝。 答案：(1)α射线，衰变方程为Po―→Y＋He　(2) $$