5.3 核力与核能（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+敷辅专家 第3节 核力与核能 今课标导航 物理观念 科学思维 科学态度与责任 核 1.认识核素图，知道核力的概念及特 1.结合能及平均结合能的概 通过核能的学 心 点。 念，知道核反应中的质量亏损。 习，让学生了解核 素 2.知道稳定原子核中质子与中子的 2.掌握爱因斯坦质能方程， 能对人类生活和 养 比例随着原子序数的增大而减小。 理解质量与能量的关系，能应 社会发展的影 3. 知道四种基本相互作用。 用质能方程进行计算。 响。 必备知识/自主学习 [对应学生用书P] >》》》》》 知识梳理〈(《((《( 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①：把原子核中的核子②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）。 140中子数(N 130 120 100 90 隐定的核素 70 0 20 020304050 0708D90 质子数(2) 独家授权侵权必究 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.2XXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 (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③：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 ()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△E=△mc2 3.原子核的质量单位 (1)原子核的质量通常会用u表示，1u=1.6605×1027kg。 (2)质量亏损1u释放9315MeV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。 ⑦思考判断 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。(×) )>》》》》》 批注释义〈(((((《( 批注①：核力是一种性质力。 独家授权侵权必究 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+敷辅专家 批注②：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③：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④：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。 关键能力/互动探究 [对应学生用书P] 探究点一核力与核的稳定性 物理观念之形成凸 ◆情境探究 如图为H和He的原子核结构示意图。 D-p H 3He (1)质子都带正电，质子与质子之间存在着库仑斥力，为什么H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：()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 ()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 ·独家授权侵权必究· 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2XXK.com○ 您身边的互联网+敷辅专家 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 例1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。 方法技巧· 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.原子核内的顾子间均存在核力和库仑力 ·独家授权侵权必究 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2XXK.com● 您身边的互联网+敷辅专家 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0.8×105m时，核力表现 为引力，在此过程中核力必做正功，其闻势能必定减小，形成原子核后距离一般不小于08 ×1015m,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，随若质子数的增加，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③ ◆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 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 结合能) 度 不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图所示 比结合能/MeV 平均结合能（比 6 结合能)曲线 质量数 04080120160200240 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 例2(2022甘肃庆阳第六中学高二期未)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() 比结合能/MeV 0 KrBa可 6 2 质量数 01 102050100150200250 A. U核的结合能比Kr核的大 独家授权侵权必究 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2XXK.com● 您身边的互联网+敷辅专家 B.U核比Kr核稳定 C.两个H核结合成He释放28MeV能量 D.Li核的结合能约为l5MeV A解析：核子数越多，结合能越大，则U核的结合能比K核的大，A正确：比结 合能越大，原子核越稳定，由题图可知K核的比结合能比U核的大，则Kr核比 U核稳定，B错误；由题图可知He核的比结合能约为7MV,则，He核的结合能约为 4×7MeV=28MeV,根据结合能定义可知，单个自由的核子结合成He核释放的能量为28 MeV,则两个H核结合成He释放的能量必定小于28MeV,C错误：由题图可知Li核的 比结合能约为5MeV,则Li核的结合能约为6×5MeV=30MeV,D错误。 ,方法技巧· 结合能与比结合能关系 ()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)怀的一种同位素阳Pu衰变时释放巨大能量， 如图所示，其衰变方程为Pu一U+He十y,则( A,核反应中y的能量就是Pu的结合能 B.核燃料总是利用平均结合能小的核 C.U核比Pu核更稳定，说明g2235U核的结合能大 D.该衰变过程是a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：U的 比结合能大，更稳定，故C错误；该反应产生H,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凸 ◆情境探究 如图所示的是原子核转变示意图。 ·独家授权侵权必究 色学科网书城■ 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 dH H H ○n (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：()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△m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△E=△mc2。 (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，1u对应931.5MeV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△m,再根据爱因斯坦质能方程△E =△mc2计算核能。 ①若△m的单位是千克，则需要将c=3×108m/s代入，计算得到的△E的单位为焦耳。 ②若△m的单位是原子质量单位u,则可用△E=△m×931.5MeV计算，即用质量亏损 的原子质量单位数乘以931.5MeV。(1u相当于931.5MeV (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 。独家授权侵权必究 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.2xXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 例3(2022山东威海高二期未)“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(；B)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y射线的形式释放。已知新核的动能为E,y射线 的能量为E。,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)B+n→Li+He+Y(2)11E+4E04c2 解析：(1)根据反应前后质子数、质量数守恒可得： B+in→Li+He+y (2)根据动量守恒：卫m=一卫新核 动能和动量的关系：E=p22m,可得Ek新Eka=mwm新 反应过程中放出的能量△E=Ek新十Ekm十Eo 根据质能方程△E=△mc2 解得△m=114c2=11E+4E04c2。 ,方法技巧， 核能的两种单位换算技巧 (1)若以kg为质量亏损△m的单位，则计算时应用公式△E=△mc2。 (2)若以原子单位“u”为质量亏损单位，则△E=△m×931.5MeV。 (3)两种方法计算核能的单位分别为“"和MeV”,1MeV=1×10s×1.6×1019J=1.6× 1013J。) [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 2组e核和一个中子，其中氘核的质量为2.013u,该氦核的质量为3.015u,中子的质量为1.008 7u,已知1u相当于931.5MeV的能量。 (1)写出核反应方程： (②)求该核反应方程释放的能量（计算结果保留四位有效数字）。 答案：(1)hH+2H→2He+n(2)2.142MeV 解析：1)核反应方程为：细+H-→2He十n (2)核反应中的质量亏损为： ◆独家授权侵权必究 色学科网书城■ 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 △m=2▣-mHe-m,=0.0023u 则释放的能量：E=0.0023×931.5MeV≈2.142MeV。 探究点四解决实际问题（科学态度与责任之落实妇③ [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(，)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615t四氯乙烯(C2C1)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v.十173C1→183Ar+-1e,已知 137C1核的质量为36.95658u,1s37Ar核的质量为36.95691u,-1e质量为0.00055u,1u 对应的能量为931.5MV。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△m=36.95691u+0.00055u一36956 58u=0.00088u,再由爱因斯坦的质能方程得所需要的能量△E=△mc2=0.00088u×931.5 MeV≈0.82MeV,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，还是会含有氟、银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 7 Cs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B衰变的衰变方程为”Cs→招X+© 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.X的比结合能比Cs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H十H→He十X+E(式中E为能量)，则() A.X是中子，反应后总质量减少Ec2 ·独家授权侵权必究 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2XXk.c0m● 您身边的互联网+敷辅专家 B.X是中子，反应后总质量增加Ec2 C.X是质子，反应后总质量减少Ec2 D.X是质子，反应后总质量增加Ec2 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△E=△mc2得，反应后总质量减少Ec2,A正确。 ·独家授权侵权必究·