第5章 3 核力与结合能(课件PPT)-【精讲精练】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版2019）

第五章　原子核 3　核力与结合能 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 预习案 必备知识·问题导学 01 探究案 关键能力·互动探究 02 知能达标训练 04 提升案 随堂演练·基础落实 03 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 01 预习案 必备知识·问题导学 栏目导航 栏目导航 第五章　原子核 1 电荷间 栏目导航 第五章　原子核 1 核子 短程 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 核子 核子数 平均 牢固 稳定 中等大小 栏目导航 第五章　原子核 1 mc2 小于 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 4.3×10－12 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 02 探究案 关键能力·互动探究 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 03 提升案 随堂演练·基础落实 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 栏目导航 第五章　原子核 1 04 知能达标训练 栏目导航 栏目导航 第五章　原子核 1 谢谢观看 栏目导航 第五章　原子核 1 [学业要求] 1．了解四种基本相互作用，知道核力的性质。 2．知道原子核的结合能和比结合能的概念。 3．知道什么是质量亏损，能应用质能方程进行计算。 一、核力与四种基本相互作用 1．四种基本相互作用 (1)引力相互作用：把行星和恒星聚在一起，组成太阳系、银河系和其他星系，是长程力。 (2)电磁相互作用：宏观物体中包含了大量带负电的电子和带正电的原子核，宏观物体之间的压力、拉力、弹力、支持力等，都起源于这些__________的相互作用，是长程力。 (3)强相互作用：原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得________紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。这种作用称为强相互作用，是短程力。 (4)弱相互作用：在某种放射现象中起作用的还有另一种基本相互作用，称为弱相互作用，弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，其力程比强相互作用更短，是________力，作用范围只有10－18m。 2．核力 原子核由质子和中子组成，中子和质子靠强大的核力结合在一起。 (1)核力是强相互作用(强力)的一种表现。 (2)核力是短程力，作用范围在10－15m之内。 二、结合能与质量亏损 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(平均结合能) 原子核的结合能与__________之比，称作比结合能，也叫________结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越________，原子核越________。____________的核的比结合能最大，最稳定。 3．质能方程 物体的能量与它们质量的关系是：E＝_______。 4．质量亏损 原子核的质量________组成它的核子的质量之和的现象。 1．(多选)下列说法正确的是(　　) A．核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大 B．弱相互作用是引起原子核β衰变的原因 C．原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量 D．比结合能越大，原子核越稳定 答案　BD 2．已知α粒子(eq \o\al(4,2)He)是由2个质子、2个中子组成的，取质子的质量mp＝1.672 6×10－27 kg，中子的质量mn＝1.674 9×10－27 kg，α粒子的质量mα＝6.646 7×10－27 kg，光速c＝3.0×108 m/s。则α粒子的结合能为__________ J。(计算结果保留2位有效数字) 探究点一　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。约在10－15 m数量级时起作用，距离大于0.8×10－15 m时为引力，距离小于0.8×10－15 m时为斥力，距离为10×10－15 m时核力几乎消失。 3．核力具有饱和性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。 　(多选)关于核力，下列说法正确的是(　　) A．核力是一种特殊的万有引力，存在于原子核内所有的核子间 B．原子核内只有相邻的两个核子间才有核力作用 C．核力是原子核能稳定存在而不“分崩离析”的原因 D．核力是一种短程强相互作用力，其作用的范围仅在1.5×10－15 m内 [解析]　核力是仅存在于相邻核子间的短程强相互作用力，而万有引力在任何有质量的物体间都存在，且远小于核力，A错误，B、D正确；因为有了强大的核力平衡了原子核内质子间的库仑力，才使原子核稳定存在，C正确。 [答案]　BCD 1．(多选)对核力的认识，下列说法正确的是(　　) A．任何核子之间均存在核力 B．每个核子只跟邻近的核子发生核力作用 C．核力只存在于质子之间 D．核力只发生在相距1.5×10－15 m的核子之间，大于0.8×10－15 m为吸引力，而小于0.8×10－15 m为斥力 解析　由核力的特点知道，只有相距1.5×10－15 m内的核子之间存在核力，核力发生在相邻核子之间。 答案　BD 探究点二　结合能与比结合能 [交流讨论] 1．如果结合能越大就说明把原子核分开，所需要的能量越大，是不是就意味着原子核越稳定？ 答案：不是，因为原子核越大，包含的核子个数越多，结合能通常也会越高，但这并不能说明它们稳定。 2．观察教材图5.3­4，比结合能大的原子核稳定还是比结合能小的原子核稳定？ 答案：比结合能大的原子核更稳定。 [归纳总结] 1．结合能：要把原子核分开成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量。 2．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。 3．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。 4．比结合能与原子核稳定的关系 (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，原子核中核子结合得越牢固，表示该原子核就越稳定。 (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；中等核子数的原子核，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，就可能释放核能。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。 　2020年12月4日14时02分，新一代“人造太阳”装置——中国环流二号M装置在成都建成并实现首次放电，中国“人造太阳”装置的最大意义在于提供核聚变研究平台，助力开发人类的终极能源，开发此能源需要用到结合能的相关知识，原子核的比结合能曲线如图所示，则(　　) A．eq \o\al(107, 47)Ag的比结合能小于eq \o\al(140, 54)Xe的比结合能 B．两个eq \o\al(2,1)H核结合成eq \o\al(4,2)He核的过程需要吸收能量 C．eq \o\al(235, 92)U、eq \o\al(94,38)Se、eq \o\al(140, 54)Xe三者相比，eq \o\al(235, 92)U的结合能最大 D．eq \o\al(6,3)Li核的比结合能小于eq \o\al(4,2)He核的比结合能，因此eq \o\al(6,3)Li核更稳定 [解析]　由题图可知，质量数大的原子核，比结合能呈减小的趋势，eq \o\al(107, 47)Ag的比结合能大于eq \o\al(140, 54)Xe的比结合能，故A错误；由题图可知，eq \o\al(2,1)H核的比结合能小于eq \o\al(4,2)He核的，所以两个eq \o\al(2,1)H核结合成eq \o\al(4,2)He核的过程需要释放能量，故B错误；eq \o\al(235, 92)U、eq \o\al(94,38)Se、eq \o\al(140, 54)Xe三者相比，虽然eq \o\al(235, 92)U的比结合能最小，但是核子数最多，因此结合能最大，故C正确；比结合能越大，原子核结合越牢固，因此eq \o\al(4,2)He核更稳定，故D错误。 [答案]　C (多选)在例题中，eq \o\al(16, 8)O的核子平均结合能约为8 MeV，eq \o\al(4,2)He的核子平均结合能约为7 MeV，根据该图像判断下列说法正确的是(　　) A．随着原子质量数的增加，原子核的平均结合能增大 B．eq \o\al(56,26)Fe核最稳定 C．由图可知两个eq \o\al(2,1)H核结合成eq \o\al(4,2)He核会释放出能量 D．把eq \o\al(16, 8)O分成8个质子和8个中子比把eq \o\al(16, 8)O分成4个eq \o\al(4,2)He要多提供约16 MeV的能量 解析　由例题图可知随着原子质量数的增加，原子核的平均结合能先增大后减小，选项A错误；eq \o\al(56,26)Fe核的平均结合能最大，是最稳定的，选项B正确；两个平均结合能小的eq \o\al(2,1)H结合成平均结合能大的eq \o\al(4,2)He时，会释放出能量，选项C正确；把eq \o\al(16, 8)O分成质子和中子需要提供的能量约为ΔE1＝16×8 MeV＝128 MeV，将质子和中子结合成一个eq \o\al(4,2)He所放出的能量约为ΔE2＝4×7 MeV＝28 MeV，则将eq \o\al(16, 8)O分成4个eq \o\al(4,2)He需要提供的能量约为ΔE＝ΔE1－4ΔE2＝128 MeV－4×28 MeV＝16 MeV，故要多提供约112 MeV的能量，选项D错误。 答案　BC 2．如图所示，图甲为原子核的比结合能与质量数关系曲线，图乙为原子核的平均核子质量与原子序数的关系曲线，根据两曲线，下列说法正确的是(　　) A．根据图甲可知，eq \o\al(4,2)He核的结合能约为7 MeV B．根据图甲可知，eq \o\al(235, 92)U核的结合能比eq \o\al(89,36)Kr核的结合能更大 C．根据图乙可知，核D裂变成核E和F的过程中，比结合能减小 D．根据图乙可知，若A、B能结合成C，结合过程一定要吸收能量 解析　根据题图甲可知，eq \o\al(4,2)He核的比结合能约为7 MeV，A错误；根据题图甲可知，eq \o\al(235, 92)U核的比结合能比eq \o\al(89,36)Kr核的比结合能略小，但eq \o\al(235, 92)U核子数比eq \o\al(89,36)Kr多，因此eq \o\al(235, 92)U核的结合能比eq \o\al(89,36)Kr核的结合能更大，B正确；根据题图乙可知，核D裂变成核E和F的过程中，核子平均质量减少，放出核能，比结合能增大，C错误；根据题图乙可知，若A、B能结合成C，核子平均质量减少，结合过程一定要放出能量，D错误。 答案　B 探究点三　质量亏损与质能方程 1．质量亏损：所谓质量亏损，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。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。总之，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们之间的关系就是E＝mc2。 2．质能方程E＝mc2 (1)质能方程说明，一定的质量总是跟一定的能量相联系的。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，等于光速的平方与其质量之积，这里所说的总能量，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。 (2)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。 (3)质能方程的本质 ①质量或能量是物质的属性之一，决不能把物质和它们的某一属性(质量和能量)等同起来； ②质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，方程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决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γ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。 3．核能的计算方法 (1)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)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，利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化。 (3)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，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能。 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质量亏损，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。 　eq \o\al(3,1)H的质量是3.016 050 u，质子的质量是1.007 277 u，中子的质量为1.008 665 u。(质量亏损1 u相当于释放931.5 MeV的能量)(结果保留3位有效数字) (1)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？ (2)氚核的结合能和比结合能各是多少？ [解析]　(1)一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程式是 eq \o\al(1,1)H＋2eq \o\al(1,0)n—→eq \o\al(3,1)H， 反应前各核子总质量为 mp＋2m0＝(1.007 277＋2×1.008 665) u＝3.024 607 u， 反应后新核的质量为mH＝3.016 050 u，质量亏损为Δm＝(3.024 607－3.016 050) u＝0.008 557 u。 因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应放出能量。 释放的核能为ΔE＝0.008 557×931.5 MeV≈7.97 MeV。 (2)氚核的结合能即为ΔE＝7.97 MeV， 它的比结合能为eq \f(ΔE,3)≈2.66 MeV。 [答案]　(1)放出能量　7.97 MeV (2)7.97 MeV　2.66 MeV ●核心素养·思维升华 核能的两种单位换算技巧 (1)若以千克为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2，核能的单位为J。 (2)若以原子单位“u”为质量亏损Δm的单位，则ΔE＝Δm×931.5 MeV，核能的单位为MeV。 (3)两种单位的换算：1 MeV＝1×106×1.6×10－19 J＝1.6×10－13 J。 3．(2023·全国乙卷)2022年10月，全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴，其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献。由观测结果推断，该伽马射线暴在1分钟内释放的能量量级为1048 J。假设释放的能量来自于物质质量的减少，则每秒钟平均减少的质量量级为(光速为3×108 m/s)(　　) A．1019 kg B．1024 kg C．1029 kg D．1034 kg 解析　根据质能方程E＝mc2可知，则每秒钟平均减少的质量为Δm＝eq \f(E0,60c2)＝eq \f(1048,60×\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(3×108))2)＝eq \f(1030,5.4) kg，则每秒钟平均减少的质量量级为1029 kg。故选C。 答案　C 1．关于质能方程，下列哪些说法是正确的(　　) 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．质量增加，能量就会减少，在一定条件下质量转化为能量 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　E＝mc2说明能量与质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，并不能说明能量与质量之间存在相互转化的关系。故正确答案为D。 答案　D 2．(多选)关于原子核的结合能，下列说法正确的是(　　) A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量 B．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能 C．铯原子核(eq \o\al(133, 55)Cs)的结合能小于铅原子核(eq \o\al(208, 82)Pb)的结合能 D．比结合能越大，原子核越不稳定 解析　由结合能的定义分析可知原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量，A正确；一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的核子的结合能增加，又衰变过程质量数守恒，故衰变产物核子的结合能之和一定大于原来重核的结合能，B正确；组成原子的核子越多，原子的结合能越高，故C正确；比结合能越大，原子核越稳定，D错误。故正确答案为A、B、C。 答案　ABC 3．(多选)已知eq \o\al(234, 90)Th半衰期为1.2 min，其衰变方程为eq \o\al(234, 90)Th→eq \o\al(234, 91)Pa＋X＋ΔE，X的质量为mX，ΔE为释放的核能。测得eq \o\al(234, 90)Th原子核的质量为m，已知真空中光速为c，下列说法正确的是(　　) A．X是氦的原子核 B．eq \o\al(234, 91)Pa原子核的质量小于m－mX C．100个eq \o\al(234, 90)Th原子核经过2.4 min，一定有75个发生了衰变 D．eq \o\al(234, 90)Th的比结合能小于eq \o\al(234, 91)Pa的比结合能 解析　根据核反应过程中质量数及电荷数守恒，可写出该衰变方程为eq \o\al(234, 90)Th→eq \o\al(234, 91)Pa＋eq \o\al(0,－1)e＋ΔE，X是电子，故A错误；由于衰变过程中，伴随着释放能量，有质量亏损，所以eq \o\al(234, 91)Pa原子核的质量小于m－mX，故B正确；半衰期是大量原子核衰变的统计规律，统计少量个数原子核是没有意义的，所以100个eq \o\al(234, 90)Th原子核经过2.4 min，不一定有75个发生了衰变，故C错误；由于衰变的过程中释放能量，可知eq \o\al(234, 91)Pa的结合能大于eq \o\al(234, 90)Th的结合能，由结合能与比结合能的定义可知，eq \o\al(234, 90)Th的比结合能小于eq \o\al(234, 91)Pa的比结合能，故D正确。 答案　BD 4．(多选)在匀强磁场中用α粒子(eq \o\al(4,2)He)轰击静止的铝(eq \o\al(27,13)Al)原子核时，产生了P、Q两个粒子，如图所示，已知匀强磁场方向垂直纸面向里，各粒子的速度方向均与磁场方向垂直，粒子P的运动轨迹在图中未画出，粒子Q做匀速直线运动，α粒子的质量为m1，铝原子核的质量为m2，P粒子的质量为m3，Q粒子的质量为m4，光在真空中的速度为c，则下列说法正确的是(　　) A．Q粒子可能是质子 B．P粒子沿顺时针方向运动 C．P粒子的电荷量大于铝原子核的电荷量 D．核反应过程中释放出的能量为(m1＋m2－m3－m4)c2 解析　由于Q粒子做匀速直线运动，所以Q粒子不带电，是中子，选项A错误；由于Q粒子不带电，则P粒子一定带正电，由左手定则可知，P粒子沿逆时针方向运动，选项B错误；由核反应前后质量数和电荷数均守恒可知，P粒子的电荷量大于铝原子核的电荷量，选项C正确；由爱因斯坦的质能方程ΔE＝Δmc2，可知核反应过程中释放出的能量ΔE＝(m1＋m2－m3－m4) c2，选项D正确。 答案　CD 5．(核能的计算)一个α粒子轰击硼(eq \o\al(11, 5)B)核变成碳14和一个未知粒子，并放出7.5×105 eV的能量，写出核反应方程并求出反应过程中的质量亏损。(结果保留2位有效数字) 解析　根据质量数守恒和核电荷数守恒可得 eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(11, 5)B—→eq \o\al(14, 6)C＋eq \o\al(1,1)H ΔE＝7.5×105×1.6×10－19 J＝1.2×10－13 J 由ΔE＝Δmc2可得 Δm＝eq \f(ΔE,c2)≈1.3×10－30 kg。 答案　eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(11, 5)B—→eq \o\al(14, 6)C＋eq \o\al(1,1)H　1.3×10－30 kg $$