2025届高考物理二轮复习课件：第3节 核力与结合能 核裂变与核聚变

第3节 核力与结合能 核裂变与核聚变 1.核力： 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，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核.这种作用称为强相互作用. 2.核力的特点 （2） 核力是短程力。约在 10-15m量级时起作用，距离大于0.8×10-15m时为引力, 距离为10×10-15m时核力几乎消失，距离小于0.8×10-15m时为斥力。 （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。 （4） 核力具有电荷无关性。核力与核子电荷无关。 （1） 核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。 一、核力与四种基本相互作用 3、四种基本相互作用 （2）电磁相互作用 （1）引力相互作用 （3）强相互作用 （4）弱相互作用 相互吸引的作用，存在于一切物体之间，我们称它为万有引力。是“长程力”。 电荷间的相互作用、磁体间的相互作用，本质上是同一种相互作用的不同表现，这种相互作用称为电磁相互作用或电磁力。是“长程力”。 宏观物体间的压力、拉力、弹力、支持力等，都起源于这些电荷之间的电磁相互作用 核力 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。 一、核力与四种基本相互作用 例1.下列说法正确的有 A.核力是强相互作用的一种表现,在原子核的尺度内核力比库仑力大得多 B.核力是短程力,作用范围在 15X10-15 m之内表现为吸引力 C.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 D.核力与核子是否带电无关，质子与质子间、质子与中子间、中子与中子间都可以有核力作用 E.四种基本相五作用中的短程力包括强相互作用和弱相作用 F.四基本相互作用中的长程力包括引力相互作用和电磁相互作用 G.弱相互作用是引起原子核 β 变的原因 即时训练1　下列对核力的认识正确的是 A.任何物体之间均存在核力 B.核力广泛存在于自然界中的核子之间 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内的核子之间，大于0.8×10－15 m为引力，而小于0.8×10－15 m为斥力 二、结合能 3.比结合能越大,原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定.中等质量的核的比结合能最大,稳定. 说明： 比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就释放核能。 1.结合能 原子核分解成核子吸收的能量;核子结合成原子核释放的能量. 2.比结合能： 结合能与核子数之比,也叫平均结合能. 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，都释放出巨大的核能。 即时训练2．如图所示是原子核的平均核子质量A与原子序数Z的关系图象，下列说法正确的是(　　) A．若D、E能结合成F，结合过程一定要释放能量 B．若D、E能结合成F，结合过程一定要吸收能量 C．若C、B能结合成A，结合过程一定要释放能量 D．若F、C能结合成B，结合过程一定要释放能量 三、质量亏损 1.质能方程 物体的能量与它的质量的关系是：E＝mc2. 2.质量亏损 原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象. 例3．下列有关质能方程的说法中，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，可以用物体的质量作为它所蕴藏的能量的量度 C．核反应中发生的“质量亏损”是消失的质量转变为能量 D．因为在核反应中产生能量，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 1934年，人们认为元素周期表上最后一个元素是92号元素铀。但是当用中子轰击时，他们发现铀被强烈地激活了，并产生出好多种元素。他们认为，在这些铀的衰变产物中，有一种是原子序数为93的“新元素”。这是由于中子打进铀原子核里，使铀的原子量增加而转变成的“新元素”。 “错发”的诺奖 关于93号元素问题，在各国科学家中引起一场激烈而持续的争论。这场争论迟迟没有定论的原因是当时缺乏一种有效的手段，可以对铀元素受到中子轰击后的产物进行精确的分离和分析。 1938年11月10日，也就是“93号元素”发现4年多以后，费米接到来自斯德哥尔摩的电话，瑞典科学院宣布费米获得诺贝尔物理学奖 费米 1938年诺奖 就在这一年，德国的两位化学家哈恩和斯特拉斯曼，与女物理学家迈特纳合作，试验用慢中子轰击铀元素，而且用化学方法分离和检验核反应的产物，获得了令人难以置信的结果：铀核在中子的轰击下，分裂成大致相等的两半，它们不是93号新元素，而是56号元素钡！原子核的这一种变化现象过去还从未发现过。 1938年11月22日，也就是在诺贝尔奖颁发后的12天，哈恩把分裂原子的报告寄往柏林《自然科学》杂志，该杂志1939年1月便登出了哈恩的论文，推翻了费米的实验结果。显而易见，诺贝尔奖搞错了！ 哈恩 1944诺化奖 迈特纳 三次诺奖提名 弗里施 迈特纳外甥 物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释，铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。 1、定义： 中子轰击铀核，发现铀核分裂成质量相近的两部分，并释放出能量，这个核反应过程叫做核裂变（重核裂变） 四、重核的裂变 核裂变示意图 2、链式反应 在裂变理论的基础上，费米很快提出一种假说：当铀核裂变时，会放射出中子。这些中子又会击中其它铀核，于是就会发生一连串的反应，直到全部原子被分裂。这就是著名的链式反应理论。根据这一理论，当裂变一直进行下去时，巨大的能量就将爆发。如果制成炸弹，它理论上的爆炸力是TNT炸药的2000万倍！ 铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。 原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，就有可能不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。只有当铀块足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，使链式反应进行下去。 通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量 。 临界体积（临界质量）： 3、核反应堆 建立 原子核的链式反应也可以在人工控制下进行。这样，释放的核能就可以为人类的和平建设服务。其实在第一个原子弹制成以前，科学家们已经实现了核能的可控释放。1942年，费米就主持建立了世界上第一个称为“核反应堆”的装置，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放。 应用 核能发电——核电提供了全球约10%的电力供应 核动力航母与核动力潜艇上的核动力堆，核能提供的持久强劲动力可使其航行持续能力成数量级增加。 在空、天领域的应用中，小型核反应堆同样大显身手。 此外，还有为人类健康保驾护航的医用同位素生产堆、各类研究堆以及探索阶段的聚变堆等。随着时代发展以及科技工作者们的不懈努力，相信核能将在陆、海、空、天有更为广阔的应用，更好地为人类服务。 水泥防护层 控制棒——镉棒 燃料棒—铀棒 慢化剂 核电站慢中子反应堆 五、核聚变 1.核聚变：某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，同时放出大量的核能。这种核反应叫做核聚变。 2.氘核、氚核聚变： 计算表明，这个核反应释放的能量是17.6 MeV 。 3.发生聚变的条件： 使原子核间的距离达到10-15m，核力大于电磁力。 需要克服极大的库仑斥力，因此必须让轻核具有很大的动能。 4.实现的方法有: 把原子核加热到很高的温度；聚变反应又叫热核反应。 几百万开尔文的高温 弹体 普通炸药 铀235 外壳 小型原子弹 氘、氚等 热核燃料 引爆装置 氢弹聚变过程： 普通炸药爆炸 铀235裂变 释放大量能量，温度急剧升高 氘、氚聚变 5、核聚变的利用——氢弹 （1）聚变与裂变相比的优点： a.轻核聚变产能效率高 b.地球上聚变燃料的储量丰富 c.轻核聚变更安全、清洁 d.反应中放射物质的处理较容易 6、受控热核反应 (2)实现核聚变的难点： 地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案：磁约束和惯性约束。 磁约束 带电粒在均匀磁场中会受洛伦兹力的作用下而不飞散。 一、核力与四种基本相互作用 1.核力 (1)定义： 原子核内相邻核子之间的相互作用力. (2)特点： ①核力是强相互作用的一种表现,在原子核的尺度内,核力比库仑力大得多. ②核力是短程力,作用范围在1.5×10－15m之内.在大于0.8×10－15m小于1.5×10－15m的范围内表现为引力，在小于0.8×10－15m时表现为斥力. ③核力的饱和性:每个核子只跟相邻核子发生核力作用. 2.四种基本相互作用 引力相互作用 电磁相互作用 强相互作用： 原子核内将核子束缚在一起 弱相互作用： 引起原子核β衰变的原因 ④核力具有电荷无关性。核力与核子电荷无关。 核力和核能 (1)核力：原子核内部，核子间所特有的相互作用力. (2)结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开需要的能量，叫作原子的结合能，也叫核能. (3)比结合能：原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫平均结合能.比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定. (4)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其对应的能量ΔE＝Δmc2.原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Δm，吸收的能量为ΔE＝Δmc2. $$