5.3 核力与核能 课件 -2025-2026学年高二下学期物理鲁科版选择性必修第三册

第5章　原子核与核能 第3节　核力与核能 课标要求 1.知道核力的概念、特点和四种基本相互作用。(物理观念) 2.了解结合能和比结合能的概念。(物理观念) 3.认识原子核的结合能及质量亏损,并能应用质能方程进行相关的计算。(物理观念) 基础落实·必备知识全过关 一、核力与核的稳定性 1.核力:把原子核中的核子维系在一起的力。 2.核力的特点 (1)核力是短程力。 (2)核力是一种强相互作用。 (3)每个核子只跟邻近的核子发生核力作用。 二、四种基本相互作用 1.引力相互作用是所有物体之间都存在的一种相互作用。 2.电磁相互作用是电荷间、磁体间或电荷与磁体间的相互作用。 3.强相互作用和弱相互作用是短程力,作用范围在原子核尺度内。 4.四种相互作用按由强到弱排列:强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。 三、结合能与平均结合能 1.结合能: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: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。 3.爱因斯坦质能方程:　　　　　　。  用Δm表示质量亏损,核子结合成原子核时释放的结合能是ΔE=Δmc2。 4.平均结合能:原子核的结合能与　　　　　　　之比称为平均结合能,又叫比结合能。平均结合能越大,原子核越难分离成单个核子,原子核越稳定。  E=mc2 其质量数 想一想较重的原子核内中子数和质子数有什么关系? 提示 较重的原子核中中子数大于质子数,而且越重的原子核,两者相差越多。 易错辨析 判一判 (1)核力是强相互作用,在任何情况下都比库仑力大。(　　) (2)原子核内的质子是靠万有引力来抗衡库仑斥力的。(　　) (3)组成原子核的核子越多,它的结合能就越大。(　　) (4)结合能越大,核子结合得越牢固,原子核越稳定。(　　) 提示 核力是强相互作用,是短程力。 提示 原子核内的质子是靠核力来抗衡库仑斥力的。 提示 比结合能越大,核子结合得越牢固,原子核越稳定。 × × √ × (5)比结合能越大的原子核越稳定,因此它的结合能也一定越大。(　　) (6)质能方程表明了质量和能量可以相互转化。(　　) 提示 比结合能越大的原子核越稳定,它的结合能不一定大。 提示 质能方程表明了质量和能量的对应关系,质量和能量不能相互转化。 × × 即学即用 练一练 质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3,当一个质子和一个中子结合成氘核时,释放的能量是(c表示真空中的光速)(　　) A.(m1+m2-m3)c B.(m1-m2-m3)c C.(m1+m2-m3)c2 D.(m1-m2-m3)c2 C 解析 根据质能方程ΔE=Δmc2知,核反应过程中释放的能量等于质量的减少量与光速c的二次方的乘积,故选项C正确。 重难探究·能力素养全提升 探究点一　对核力的理解 导学探究 (1)质子都带正电,质子与质子之间存在着库仑斥力,为什么 还能稳定地存在? 要点提示 核子之间还存在着核力作用。 (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? 要点提示 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。 知识归纳 1.核力的性质 (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,距离超过1.5×10-15 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核力,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。 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,所以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,以及核力的饱和性,若再增大原子核,一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用,这时候再增加中子,形成的核也一定是不稳定的。 原子核越大越不稳定 典例剖析 【例题1】　(多选)下列说法正确的是(　 　) A.核力是短程力,作用范围很小,只在邻近核子间发生 B.核力可能是引力,也可能是斥力。核力把核子紧紧束缚在核内,形成稳定的原子核,但又不会融合在一起 C.质子间、中子间、质子和中子之间都可能有核力 D.核力是一种弱相互作用力,在其作用范围内,核力比库仑力大得多 ABC 解析 核力作用的范围在10-15 m区域内,只在邻近核子间发生,是短程力,A正确;核力可能表现为引力,也可能表现为斥力,B正确;核力是核子之间的强相互作用力,C正确;核力是一种强相互作用力,D错误。 规律方法　四种基本相互作用比较 对点演练 1.(多选)对于核力,以下说法正确的是(　　) A.核力是弱相互作用力,作用力很小 B.核力是强相互作用的表现,是强力 C.核子之间的距离小于0.8×10-15 m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起 D.人们对核力的了解很清楚,特别是在小于0.8×10-15 m时核力的变化规律更清楚 BC 解析 核力是强相互作用的一种表现,它的作用范围在1.5×10-15 m之内,故选项B正确,A错误;核力在大于0.8×10-15 m时表现为吸引力,且随距离增大而减小,在距离小于0.8×10-15 m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起,故选项C正确;人们对核力的了解还不是很清楚,这是科学家们奋力攻克的堡垒,故选项D错误。 对点演练 2.关于自然界中四种基本相互作用,下列说法正确的是(　　) A.核外电子与原子核间的万有引力和库仑力大小相当 B.原子核内任意两个核子间都存在核力 C.核力是强相互作用,一定是引力 D.弱相互作用是短程力 D 解析 核外电子与原子核间的万有引力远小于库仑力大小,选项A错误;原子核内只有相邻的两个核子间存在核力,选项B错误;核力是强相互作用,可表现为引力,也可表现为斥力,故C错误;弱相互作用是短程力,选项D正确。 探究点二　结合能和平均结合能 导学探究 设有一个质子和一个中子在核力作用下靠近碰撞并结合成一个氘核。 质子和中子结合成氘核的过程中是释放能量还是吸收能量?使氘核分解为质子和中子的过程中呢? 要点提示 质子和中子结合成原子核的过程中要释放能量;氘核分解成质子和中子时要吸收能量。 知识归纳 1.比结合能曲线 不同原子核的比结合能随质量数变化的图线如图所示。 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。 典例剖析 AD 解析 根据比结合能越大,越稳定,则核燃料总是利用比结合能小的核,A正确;由结合能的含义知B错误; 核更稳定,说明 的比结合能大,所以衰变时,会释放巨大能量,C错误,D正确。 规律总结　结合能的应用技巧 (1)组成原子核的核子越多,结合能越高。 (2)结合能与核子个数之比称作比结合能,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。 对点演练 3.(多选)原子核的核子平均质量与原子序数Z的关系图像如图所示,下列说法正确的是(　　) A.若原子核D和E结合成F,结合过程一定会吸收核能 B.若原子核D和E结合成F,结合过程一定会释放核能 C.若原子核A分裂成B和C,分裂过程一定会吸收核能 D.若原子核A分裂成B和C,分裂过程一定会释放核能 BD 解析 D和E结合成F,有质量亏损,根据爱因斯坦质能方程,有能量释放,故A错误,B正确;若A能分裂成B和C,分裂过程有质量亏损,一定要释放能量,故C错误,D正确。 探究点三　质量亏损和质能方程 导学探究 纵观历史,每一次能源利用的里程碑式发展,都伴随社会和生产的巨大飞跃。火的使用,使远古人类茹毛饮血的年代一去不返;18世纪蒸汽机的发明,导致了第一次工业革命;19世纪电能的使用,再一次改变了人们的生活;进入20世纪以后,全世界对能源的需求急剧上升,能源问题日趋严峻。煤、石油、天然气等化石燃料逐渐枯竭,因此寻找可持续的替代资源显得尤为急迫。目前,核能已成为新能源家族的重要一员。 神秘的核能从何而来? 要点提示 原子核的核子之间存在着巨大的核力,使小小的原子核蕴藏巨大的能量。当核反应发生时,由于不同的原子核的平均结合能不同,要吸收或者放出大量的能量,在有质量亏损的核反应中,会释放巨大的能量。 知识归纳 1.对质量亏损的理解 (1)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。 (2)质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来。 (3)Δm是核反应前与核反应后的质量之差。 2.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: (1)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绝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.核反应中由于质量亏损而释放的能量ΔE=Δmc2 从爱因斯坦质能方程同样可以得出,物体的能量变化ΔE与物体的质量变化Δm的关系:ΔE=Δmc2。 典例剖析 能力点1　对爱因斯坦质能方程的理解 【例题3】　下列说法正确的是(　　) 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,可以用物体质量作为它所蕴藏的能量的量度 C.核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变为能量 D.因为在核反应中能产生能量,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 B 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,但并不说明能量和质量之间存在相互转化的关系,故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,故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由静质量变成动质量,故D错误。 对点演练 4.(多选)关于质能方程,下列说法正确的是(　　) A.质量减小,能量就会增加,在一定条件下质量转化为能量 B.物体获得一定的能量,它的质量也相应增加一定值 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.一定量的质量总是与一定量的能量相联系 BD 解析 质能方程E=mc2表明一定量的质量与一定量的能量是相互联系的,当物体获得一定的能量,即能量增加某一定值时,它的质量也相应地增加一定值。 能力点2　对于核能的计算 1 kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个,若全都发生聚变反应,其释放的能量与质量为m的标准煤燃烧时释放的热量相等;已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J,1 MeV=1.6×10-13 J,则m约为(　　) A.40 kg B.100 kg C.400 kg D.1 000 kg C 解析 1 MeV=1.6×10-13 J,1 kg海水中氘核全都发生聚变反应释放的核能W= ×43.15 MeV=1.15×1010 J,又标准煤的热值q=2.9×107 J/kg,则m= =397 kg,约为400 kg,C正确,A、B、D错误。 (1)方程中的“X”核符号为　　　　;  (2)钚核的质量为239.052 2 u,铀核的质量为235.043 9 u,X核的质量为4.002 6 u,已知1 u相当于931 MeV,则该衰变过程放出的能量是　　　　 MeV;  (3)假设钚核衰变释放的能量全部转变为铀核和X核的动能,则X核与铀核的动能之比为　　　 　。  5.31 235∶4 对点演练 5.一个静止的钚核Pu自发衰变成一个铀核U和另一个原子核X,并释放出一定的能量。其核衰变方程为Pu U+X。 (2)根据爱因斯坦质能方程得ΔE=Δmc2=(239.052 2 u-235.043 9 u-4.002 6 u)×931 MeV=5.31 MeV。 (3)根据动量守恒定律pU-pX=0 而动量和动能关系式为E= 因动量大小相等,则动能与质量数成反比, 学以致用·随堂检测全达标 1 2 3 4 1.(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 B.原子核内只有质子和质子间有核力作用,而中子和中子之间、质子和中子之间则没有核力作用 C.核力是原子核稳定存在的原因 D.核力是一种短程强力作用 CD 解析 核力与万有引力、库仑力的性质不同,核力是短程力,是核子间的强相互作用,作用范围在1.5×10-15 m,原子核的半径数量级在10-15 m,所以核力只存在于相邻的核子之间,核力是原子核稳定存在的原因,故选C、D。 1 2 3 4 2.(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 C 解析 由爱因斯坦质能方程E=mc2可得 kg/s =2×1029 kg/s,选项C正确。 1 2 3 4 产生了γ射线。已知钴核、β粒子、镍核的质量分别为m1、m2、m3。下列说法正确的是(　　) A.核反应中释放出的γ射线的穿透本领比β粒子强 B.核反应中释放的能量为(m2+m3-m1)c2 D.β粒子是钴原子核外的电子电离形成的 A 1 2 3 4 1 2 3 4 4. 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。求:(质量亏损1 u相当于释放931.5 MeV的能量,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,结果保留三位有效数字) (1)一个质子和两个中子结合为氚核时,　　　　(选填“吸收”或“放出”)　　　能量。  (2)氚核的结合能是　　　　　,比结合能是　　　　　　　。  (3)如果这些能量是以光子形式放出,则光子的频率是　　　　　　。  放出 7.97 MeV 2.66 MeV 1.92×1021 Hz 1 2 3 4 解析 (1)一个质子和两个中子结合成氚核的核反应方程式是 ,反应前各核子总质量为 mp+2mn=(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 =2.66 MeV。 如图所示为H和He的原子核结构示意图。 He 【例题2】　(多选)钚的一种同位素Pu衰变时释放巨大能量,如图所示,其衰变方程为PuHe+γ,则下列说法正确的是(　　) A.核燃料总是利用比结合能小的核 B.核反应中γ光子的能量就是Pu的结合能 CU核比Pu核更稳定,说明U的结合能大 D.因为衰变时释放巨大能量,所以Pu比U的比结合能小 Pu U 【例题4】　氘核H可通过一系列聚变反应释放能量,其总效果可用反应式HHe+H+n+43.15 MeV表示。海水中富含氘,已知 He 解析 (1)核反应方程满足质量数守恒和核电荷数守恒UHe。 即放出粒子He与U的动能之比为235∶4。 3.一个钴60原子核Co)放出一个β粒子后衰变成一个镍核(Ni),并伴随 C.钴核Co)比镍核Ni)更稳定 解析 γ射线的频率高、波长短,具有很强的穿透性,β粒子是高速电子流,贯穿能力也很强,但比γ射线弱,故A正确;根据质能方程,核反应中释放的能量为ΔE=(m1-m2-m3)c2,故B错误;镍核Ni)的平均结合能大于钴核Co)的平均结合能,则镍核Ni)比钴核Co)更稳定,故C错误;β粒子是钴原子核内的中子转化为质子产生的,故D错误。 H (3)放出光子的频率为ν= Hz=1.92×1021 Hz。 H+nH $