第5章 第3节 核力与核反应方程-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案word（粤教版2019）

学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZxXk.c0m○ 您身边的互联网+教辅专家 第三节核力与核反应方程 核心素养定位>> 1.知道原子核的组成，知道原子核的表示方法2掌握质量数、质子数、中子数之间的关系 3.知道核反应遵循的规律，会书写核反应方程.4知道核力的概念、特点和四种基本相互作用 5理解结合能和比结合能的概念，认识质量亏损，并能应用质能方程进行相关的计算. 课前自主学习 KE QIAN ZI ZHU XUE XI 原子核的组成 1.质子的发现：1919年，卢瑟福用spl01)a粒子轰击氮原子核发现了质子.质子带有」 s迎l02)一个单位的正电荷，其质量与氢原子的质量sp103)相近 2.中子的发现：卢瑟福预言原子核内应该还存在着质量跟质子差不多的p104)不带电的 中性粒子，称为中子，sp105)查德威克通过实验证实了中子的存在 3.原子核的组成：原子核由sp106)中子和spl107)质子组成，符号分别为spl08n和侧 sp109卫.中子和质子统称为sp110)核子 4.原子核的表示 ()电荷数Z与质量数A:原子核的电荷量与元电荷的比值叫原子核的电荷数，它等于原子序 数.原子核的质量几乎等于单个核子质量的spl)整数倍，通常用这个整数代表原子核的 相对质量，称为原子核的质量数，原子核的质量数就是核内的sp112)核子数。 (2)质量数为A、电荷数为Z的元素X的原子核可表示为spl3AZX 二核反应方程 1.核反应：利用天然放射性的高速粒子或人工加速的粒子去轰击spl01)原子核，以产生 新的原子核，这个过程叫作核反应 2.反应能：在核反应过程中，原子核的质量数和电荷数会发生变化，同时伴随着能量的创 spl02释放或吸收，所spIO3)放出或吸收的能量叫作反应能， 3.核反应道循的规律：在核反应过程中，方程两边总的质量数和spl(O4电荷数是守恒的.原 子核在发生衰变时也具有相同的特点， 三核力及四种基本相互作用 1.核力：组成原子核的spl01)核子之间有很强的相互作用力，它使核子能够克服！ pl02库仑斥力而紧密地结合在一起，这种力被称为核力. 2.核力属于spl03)强相互作用，是自然界四种基本相互作用之一. 3.存在于一切物体之间的万有引力是另一种基本相互作用. 4.电荷间、磁体间的相互作用，其本质上是同一种相互作用的不同表现，这种相互作用被称 为splO4)电磁相互作用 5.在sp105)放射现象中起作用的还有另一种基本相互作用一弱相互作用. 1 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 四结合能 1.结合能：由于核子间存在着强大的核力，要把原子核拆散成核子，需要spl0)克服核 力做功，也就是说需要提供一定的能量.反过来，根据能量守恒，核子结合成原子核时也会！ spO2)放出一定的能量.我们把这个能量叫作原子核的结合能， 2.结合能的计算 ()核子结合成原子核时，反应前后存在质量亏损。 (2)反应中释放的能量△E=sp103)△mc2,其中△E为结合能，△m为质量亏损.（爱因斯 坦质能方程) 3.比结合能：原子核的结合能与核子数sp1O4)之比被称为该原子核的比结合能，也叫平 均结合能.比结合能越大，原子核越splO5)稳定 间课前检测 1.判-判 ()原子核的电荷数就是电荷量.() (2)书写核反应方程时不能用等号，是因为核反应通常是不可逆的，且箭头“一”表示反应进 行的方向.() (③)核反应是自发进行的，反应前后质量数和电荷数都守恒.() (4核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大，() (⑤)结合能越大，原子核越稳定，() (⑥一个氘核分解成质子和中子时需要吸收能量.() (⑦)所有的核反应一定伴随着质量亏损，有核能放出.() 提示：(1)×(2)√(3)×(4×（⑤×（⑥√(7× 2.想一想 (1)23592U的核子数、质子数和中子数分别是多少？ 提示：核子数为235，质子数为92，中子数为143 (②)原子核的结合能越大，其比结合能也越大吗？ 提示：结合能是核子结合成原子核放出的能量或原子核拆散成核子吸收的能量，而比结合能 是原子核的结合能与核子数的比值.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 (3)质量亏损是在核反应过程中核子数减少了吗？ 提示：核反应过程质量数守恒，即核子数不变，出现质量亏损是由于核子的平均质量减小 课堂探究评价 KE TANG TAN JIU PING JIA 课堂任务 原子核的组成 核反应方程 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZXXk.c0m○ 您身边的互联网+教辅专家 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”， A:放射性物质镭：F:铝箔：S:荧光屏： M:最微镜：C:容器：T:阀门 甲 元素周期表 回0国 师生互动 活动1：如图甲是卢瑟福1919年做的一个实验，放射性物质镭不断放出高速a粒子（氢4）， 被铝箔F挡住，当容器中通入氨气（氮14）时，荧光屏上出现闪光，说明了什么？ 提示：氯原子核在Q粒子的撞击下产生了一种粒子，这种粒子能穿过铝箔， 活动2：根据图甲实验产生的粒子在电场和磁场中的偏转，测出其质量和电荷量，发现它就 是氢原子核，叫作质子.后来人们又从氟、钠、铝等原子核中打出了质子，这说明了什么？ 提示：质子是原子核的组成部分， 活动3：根据图乙元素周期表可知，绝大多数原子核的质量与电荷量的比值都大于质子的相 应比值.原子核中只有质子吗？ 提示：如果原子核中只有质子，则所有原子核的质量与其电荷量的比值都等于质子的相应比 值，所以原子核中除质子外，还应该有一种不带电的粒子， 活动4：1932年，查德威克用ā粒子从铍9原子核中打出一种不带电的粒子，其质量与质子 的质量近似相等，称为中子，以图乙中钾原子核为例，试说出原子核的组成， 提示：根据图乙的原子序数，钾原子核的电荷量是氢原子核的19倍，所以钾原子核中有19 个质子：而钾原子核的质量约是氢原子核的39倍，又因为中子和质子的质量近似相等，所以 质子数和中子数总和为39，所以核内除有19个质子，还有20个中子。 活动5：对于中性原子，原子核的电荷数（电荷量与元电荷之比，即原子序数）等于原子核外的 电子数，根据原子核的组成，原子核的电荷数、原子序数、中性原子核外的电子数这三个量 3 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZXXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 还等于什么？ 提示：原子核内的质子数。 活动6：上述质子、中子的产生过程称为核反应.若元素X的质量数为A(原子核质量与质子 或中子质量之比)，电荷数为Z,则该元素的原子核可表示为AZX请类比化学反应方程，写 出顾子、中子发现的核反应方程.（方程中不能用等号，用箭头“一”） 提示：42He+147N→1780+11H,42He+94Be→126C+10m 得 出 结 论 1.原子核的组成 原子核是由质子、中子组成的， 原子核半径的数量级为10-15m (1)质子：用p表示，电荷量e=+1.6×10-19C,质量m,=1.672621898×10-27kg卢瑟福通 过实验发现 (2)中子：用n表示，不带电，质量m=1.674927471×10-27kg.卢瑟福猜想在原子核内可能 存在中子，其质量与质子相同，但不带电：查德威克通过实验证实。 (③)核子：中子的质量与质子的质量非常接近，只比质子质量约大千分之一，质子和中子除了 是否带电的差异以及质量上的微小差别外，其余性质十分相似，而且都是原子核的组成成分， 所以统称为核子。 核子数：质子和中子统称为核子，所以质子数和中子数之和叫核子数， 2.原子核的电荷数和质量数 ()电荷数()：原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍，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， (②)质量数()：原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和，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。 3.原子核的符号和数量关系 (1)符号：原子核常用符号AZX表示，X为元素符号，上角标A表示核的质量数，下角标Z 表示核的电荷数（即原子序数）. (②)基本关系：电荷数（⑦=质子数=元素的原子序数=核外电子数（中性原子）. 质量数(4)=核子数=质子数十中子数 4.核反应 (I)条件：用ā粒子、顾子、中子，甚至用y光子轰击原子核使原子核发生转变. (②)实质：用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞将原子核打开，而是粒子打入原子核内部使 核发生了转变， (3)规律：质量数守恒，电荷数守恒。 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZXXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 (4)典型的人工转变的核反应 ①卢瑟福发现质子：42He十14N→178O+11H ②查德威克发现中子：42He+94Be→126C+10n 实践提升 例1中国科学院上海原子核研究所制得了20278Pt制取过程如下：(1)用质子轰击镀靶94B 产生快中子；(2)用快中子轰击汞20480Hg,反应过程可能有两种：①生成20278Pt,放出另 一种粒子：②生成20278PL,同时放出质子、中子；(3)生成的铂20278PL发生两次衰变，变 成稳定的原子核汞20280Hg写出上述原子核反应过程的方程. o实践探究（①）核反应遵循什么规律？ 提示：核反应遵循的规律：质量数守恒，电荷数守恒， (②)书写核反应方程式需要注意什么？ 提示：反应前后只能用箭头“一”连接，不能把箭头写成“=” [规范解答]根据质量数守恒、电荷数守恒，确定新核的电荷数和质量数，然后写出原子核 变化过程的方程，如下： (1)94Be+11H→95B+10n (2①20480Hg+10n→20278Pt+32He;②20480Hg+10n→20278P+211H+10m (3)20278Pt→20279Au+0-1e,20279Au→20280Hg+0-1e [答案]见规范解答 规律点拨 书写核反应方程的五条重要原则 (1)质量数守恒和电荷数守恒】 (2)反应前后用箭头连接，不能写成等号 (3)能量守恒（中学阶段不做要求）： (④)核反应必须是实验中能够发生的. (⑤)核反应前后相同的核不能消掉， [变式训练1一1】写出以下原子核的质子数、中子数： (1)钙40： (2)6629Cu: (3)14058Ce: 答案(1)2020(2)2937(3)5882 解析(1)钙40的原子序数为20，即电荷数为20，质子数为20，则中子数为40一20=20 (2)6629Cu的电荷数为29，所以质子数为29，则中子数为66-29=37 (3)14058Ce的电荷数为58，所以质子数为58，则中子数为140-58=82 5 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZXXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 [变式训练1一2】完成下列核反应方程. (1)105B+42He→137N+ ； (2)2713A1+ →2712Mg+11H; (3)2311Na+ →2411Na+11H: (4)23592U+ →9038Sr+13654Xe+1010m 答案(1)10m(210n(3)21H(410m 解析在核反应过程中，遵循电荷数守恒、质量数守恒的规律.如(1)中所求粒子的电荷数为 5十2-7=0，质量数为10+4-13=1，由此可知应为中子(10)，同理确定其他粒子分别为： 中子(10m),氖(21HD,中子(10n). 课堂任务② 核力及四种基本相互作用 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”· n e 甲He核 乙原子核中核子间的作用 a粒子 ⊕原子核 内时α粒子散射图尿 师生互动 活动1：电场力和磁场力可以统称为电磁相互作用.我们知道，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、支持力等从本质上讲起源 于什么基本力？ 提示：这些力都起源于这些电荷之间的电磁相互作用， 活动2：除以上力，迄今为止我们还学过什么基本相互作用力？ 提示：万有引力， 活动3：我们知道原子核是由中子和质子构成的.如图甲所示，在原子核那样狭小的空间里， 是什么力量把带正电的质子紧紧地束缚在一起而不飞散开呢？ 提示：带正电的质子之间存在相互排斥的电磁力，这种斥力比它们之间的万有引力大得多， 6 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com● 您身边的互联网+教辅专家 似乎质子与质子结合在一起是不可能的。原子核中的核子之间应该存在一种很强的相互作用， 它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核 活动4：物理学家发现，原子核中的核子间存在一种核力，使得核子紧密地结合在一起，形 成稳定的原子核（图乙），这种作用属于强相互作用.用质子、中子或▣粒子轰击原子核，只 有非常靠近原子核才可能发生核反应，否则只发生散射，如图丙，说明这种力有什么特点？ 提示：说明强相互作用与万有引力和电磁力不同，距离增大时，强和互作用急剧减小，它的 作用范围只有约10一15m,即原子核的大小，超过这个界限，这种相互作用实际上已经不存 在了，它是短程力。 活动5：物理学家发现，在某些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B衰变的原因.宏观世界中觉察不到这种力，说明了什么？ 提示：说明弱相互作用是短程力， 得 出结论 1.引力相互作用（万有引力） (1)所有具有质量的物体之间的相互作用力，表现为吸引力. (2)是长程力，力程无穷大， (3)规律是万有引力定律。 (4)在四种基本相互作用中最弱，在微观现象的研究中通常不予考虑，在天体物理研究中起决 定性作用 2.电磁相互作用（电磁力） ()电荷间、磁体间的相互作用，表现为引力或斥力. (2)是长程力 (③)规律是库仑定律。 (4)在强度上仅次于强相互作用 (⑤)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，都起源于这些电荷之间的电磁相互作用（分子力） 3.强相互作用 ()带正电的质子之间存在相互排斥的电磁力，这种斥力比它们之间的万有引力大得多，似乎 质子与质子结合在一起是不可能的.物理学家们发现，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 称为核力，它属于强相互作用 (2)与万有引力和电磁力不同，距离增大时，强相互作用急剧减小，它的作用范围只有约10一5 m,即原子核的大小，超过这个界限，这种相互作用实际上已经不存在了，它是短程力 ①在小于0.5×10-15m的距离内，主要表现为斥力： 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com● 您身边的互联网+教辅专家 ②在0.5×10-15~2×10-15m的距离内，主要表现为引力： ③在大于2×10-15m的距离时，表现为引力，且几乎为零 提示：核力的变化规律与分子力的变化规律相似，而分子力是电磁相互作用的一种表现形式， 同理，核力只是强相互作用的一种表现形式，核力与强相互作用概念不同. 4.弱相互作用 (1)在某些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。 (2)弱相互作用是引起原子核B衰变的原因.弱相互作用也是短程力，其力程比强相互作用更 短，为10-18m,强度只是强相互作用的10-12倍. 实践提升 例2（多选）关于四种基本相互作用，下列说法正确的是( A.原子核中质子间的万有引力和电磁力可以达到平衡 B.核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大 C.弱相互作用是引起原子核B衰变的原因 D.强相互作用的力程大于弱相互作用的力程 o实践探究Q)在任何情况下，强相互作用都是最强的吗？ 提示：不是 (2)四种基木相互作用的力程有什么关系？ 提示：引力相互作用与电磁相互作用都是长程力，力程都较大，强相互作用与弱相互作用都 是短程力，其中弱相互作用的力程更短. [规范解答]根据万有引力和库仑力的计算公式可知，原子核中质子间电磁力远大于万有引 力，A错误；强相互作用是短程力，库仑力是长程力，故B错误：原子核发生B衰变的原因 是弱相互作用，C正确：强相互作用、弱相互作用都是短程力，但弱相互作用的力程更短， D正确， [答案]CD 规律点拨 核力的特点 (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，作用范围在原子核尺度内， (3)核力与核子是否带电无关， [变式训练2】关于核力的说法正确的是() A.核力同万有引力没有区别，都是物体间的作用 B.核力就是电磁力 C.核力是短程力，作用范围约10-15m 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com● 您身边的互联网+教辅专家 D.核力与电荷有关 答案C 解析核力是短程力，超过10-5m,核力急剧下降，几乎消失，故C正确；核力与万有引 力、电磁力不同，故A、B错误：核力与电荷无关，故D错误， 课堂任务③ 结合能与质量亏损 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动” =3 E 甲氢原子的电子轨道示态图 乙拆分原子核 t比结合能/WV Be 5十 20406080100120140160180200220240质量数1 丙不同原子核的比结合能随质量数A的变化 师生互动 活动1：如图甲，要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、 施加电场、让氢原子吸收光子等途径使它得到相应的能量，那么将原子核拆成一个个核子（图 乙)需要能量吗？ 提示：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量。 活动2：核子结合成原子核时会释放能量，这个能量叫作原子核的结合能.参照图乙，猜测 组成原子核的核子数与结合能有什么关系？ 提示：每拆分一个核子，都要消耗一些能量，拆分的核子数越多，需要的能量越多，所以组 成原子核的核子数越多，它的结合能越大 活动3：根据结合能，分析什么样的原子核比较稳定？ 提示：每拆分一个核子需要的能量越多，说明这种原子核中核子结合得越牢因，原子核越稳 定.每拆分一个核子平均需要的能量等于原子核的结合能与核子数之比，所以原子核的结合 9 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com● 您身边的互联网+教辅专家 能与核子数之比越大，原子核越稳定， 活动4：爱因斯坦指出物体的能量与它的质量的关系为E=mc2精确测量发现，原子核的质量 略小于同等数量质子与中子的质量之和，这种现象叫作质量亏损.这是为什么？如何计算原 子核的结合能？ 提示：质子和中子结合为原子核，核力做正功，会释放能量（释放的能量等于该原子核的结合 能).根据方程E=m2,这些质子与中子的总质量会减小，即形成的原子核的质量小于同等 数量质子与中子的质量之和，若原子核相对于同等数量自由质子和中子的质量亏损为△m, 则它的结合能△E=△mc2 活动5：原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能.图丙是测定的比结合能数据，根据 图丙分析，哪个区域的核最稳定？ 提示：由图丙可知，中等大小的核比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最 稳定. 得 出 结 论 1.结合能的理解 ()结合能是指核子结合成原子核放出的能量，也等于将原子核的核子分开时需要的能量， (②)结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把核子分开而需要的能量. (③)结合能一词通常只用在原子核中 (④组成原子核的核子越多，原子核的结合能越大 2.比结合能与原子核稳定性的关系 ()比结合能的大小反映了原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该核 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，就可释放核能。 3.质量亏损的理解 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闻存在着密切的联系，它们之间的关系就是E=mc2 4.对质能方程E=mc2本质的理解 爱因斯坦质能方程反映的是质量亏损和释放出核能这两种现象之间的联系，并不表示质量和 能量之间的转变关系。对于质量亏损，不能理解为质量变成了能量，质能方程的本质是： ()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，建立了这两个属性在数值上的关系，这两个量 10