第5章 第3节 核反应 结合能-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册教用Word(教科版)

第3节　核反应　结合能 1．知道核反应及其遵从的规律，会正确书写核反应方程。　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、核反应 1．1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了________的同时，发现氮原子变成了氧原子，产生了氧的一种同位素——O，即He＋N―→O＋H，这是人类历史上第一次实现了原子核结构的人工转变。 2．原子核与原子核，或者原子核与其他粒子相互作用产生新核的过程，叫作__________。大量实验表明，在核反应中，____________和电荷数都守恒。 二、原子核结合能 1．结合能 试图将原子核中的核子拆散为质子和中子，要克服核力做巨大的功。同样，要把两个分散的核子聚集到强相互作用力的作用范围，结合成一个原子核，核力做功而释放出巨大的能量。这种由分散的核子结合成原子核的过程中所____________的能量称为原子核的____________。 2．质量亏损 在核反应过程的前后，原子核的总质量并不相等，通过精确计算表明，氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些，这种现象叫作________________。 3．质能方程：E＝mc2 三、比结合能曲线 1．比结合能 一般来说，组成原子核的核子数越多，其结合能也越大。把原子核的结合能ΔE除以核子数A，即，称为原子核的__________________，也叫平均结合能。不同种类的原子核其比结合能不同，比结合能越大，核就越________。比结合能是原子核稳定程度的量度。 2．比结合能曲线 比结合能曲线如图所示，曲线中间高两头低，中等质量的原子核(A＝40～120)的比结合能__________，这表明中等质量的核______________。质量较大的重核(A>120)和质量较小的轻核(A<40)比结合能都__________，且轻核的比结合能曲线还有较大起伏。 判断下列说法是否正确。 (1)在核反应中，质量数和电荷数都守恒。(　　) (2)若核反应过程前后，原子核的质量有亏损，则一定释放能量。(　　) (3)原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量。　(　　) (4)比结合能越大，原子核越稳定。(　　) (5)质能方程E＝mc2表明了质量与能量间的一种对应关系。(　　) 提示：(1)√　(2)√　(3)×　(4)√　(5)√ [答案自填] 质子　核反应　质量数　释放出　结合能　质量亏损　比结合能　稳定 较大　最稳定　较小 知识点一　原子核的人工转变和核反应方程 原子核的人工转变 条件 用α粒子、质子、中子，甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变 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 规律 (1)质量数、电荷数守恒；(2)动量守恒 原子核 人工转 变的三大发现 (1)1919年卢瑟福发现质子的核反应方程：N＋He―→O＋H (2)1932年查德威克发现中子的核反应方程：Be＋He―→C＋n (3)1934年约里奥—居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程：Al＋He―→P＋n；P―→Si＋ 核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单向箭头表示反应方向 　(多选)(2024·四川内江阶段练)1934年，约里奥·居里夫妇用α粒子轰击铝箔时，发生的核反应方程为Al＋He―→P＋X，反应生成物P像天然放射性元素一样发生衰变，放出正电子e，且伴随产生中微子ν，核反应方程为P―→Si＋e＋ν。下列说法正确的是(　　) A．核反应生成物X是质子 B．中微子的质量数A＝0，电荷数Z＝0 C．当温度、压强等条件变化时，放射性元素 P 的半衰期随之变化 D．正电子产生的原因是原子核内的质子转化为中子的同时将正电子释放出来 [解析]　根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，核反应生成物X质量数为1，电荷数为0，是中子，A错误；根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，中微子的质量数A＝0，电荷数Z＝0，B正确；温度、压强等条件对半衰期无影响，C错误；正电子产生的原因是原子核内的质子转化为中子的同时将正电子释放出来，D正确。 [答案]　BD 知识点二　结合能和比结合能 1．结合能就是原子核具有的能量吗？ 2．原子核的结合能越大，其比结合能也越大吗？ [提示]　1.不是。结合能是把分散的核子结合成原子核的过程中所释放的能量，并不是原子核具有的能量。 2．不一定。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，而比结合能是核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量或原子核拆散成核子时每个核子平均吸收的能量，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。　 1．对结合能的理解 (1)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。 (2)由于核力的存在，核子结合成原子核时要放出一定的能量，原子核分解成核子时，要吸收同样多的能量。 2．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的要小。 3．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。 角度1　原子核的结合能 　关于原子核的结合能，下列说法正确的是(　　) A．原子核的比结合能等于使其完全分解成自由核子所需要的能量 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．原子核的核子越多，则比结合能越大 D．比结合能越大，原子核越不稳定 [解析]　根据结合能的定义可知，分散的核子结合成原子核时放出的能量叫作原子核的结合能，所以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，原子核的比结合能等于结合能除以核子数，指平均分解出一个自由核子所需要提供的能量，故A错误；重核衰变时释放能量，衰变产物的结合能之和大于原来重核的结合能，故B正确；原子核的核子越多，则结合能越大，但比结合能不一定越大，质量数为40左右的原子核的比结合能最大，故C错误；比结合能越大，原子核越稳定，故D错误。 [答案]　B 角度2　原子核的比结合能 　下面关于结合能和比结合能的说法正确的是(　　) A．核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆散成核子时放出的能量称为结合能 B．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 C.重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和比结合能都大 D．中等质量的原子核的结合能和比结合能均比轻核要大 [解析]　核子结合成原子核要放出的能量或原子核拆散成核子时要吸收的能量称为结合能，A错误；比结合能越大的原子核越稳定，但比结合能大的原子核，其结合能不一定大，例如，中等质量的原子核的比结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能反而比重核小，B、C错误；中等质量的原子核的比结合能比轻核大，它的原子核内的核子数比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，D正确。 [答案]　D 　2023年4月12日，中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。已知中国“人造太阳”中的核反应方程是H＋H―→He＋n＋17.6 MeV，H的比结合能为1.09 MeV，H的比结合能为2.78 MeV，由此可知He的比结合能为(　　) A．7.03 MeV B．5.56 MeV C．4.36 MeV D．3.87 MeV [解析]　设He的比结合能为E1，核反应释放的能量等于生成物的结合能与反应物的结合能之差，有17.6 MeV＝ΔE＝4E1－(2×1.09 MeV＋3×2.78 MeV)，解得E1＝7.03 MeV，故A正确。 [答案]　A 角度3　比结合能与质量数A的关系图像 　(多选)如图所示，表示原子核的比结合能与质量数A的关系，据此下列说法正确的是(　　) A．重的原子核，例如铀核，因为它的核子多，核力大，所以结合得坚固而稳定 B．锂核的核子的比结合能比铀核的比结合能小，因而比铀核结合得更坚固更稳定 C．原子核结合的松紧程度可以用“比结合能”来表征，比结合能的定义是每个核子的平均结合能，比结合能越大的原子核越稳定 D．H核的结合能约为2 MeV [解析]　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，组成原子核的核子数越多，结合能越大，比结合能不一定越大，只有比结合能越大，原子核中的核子才结合得越牢固，原子核越稳定，故C正确，A、B错误；H核的比结合能约为1 MeV，核子数为2，结合能约为2 MeV，故D正确。 [答案]　CD 知识点三　质能方程和核能的计算 1．质量亏损是不是这部分质量消失了或转变为能量了呢？ 2．爱因斯坦质能方程是说明质量和能量可以相互转化吗？ [提示]　1.不是。物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损指的是静止质量的减少，并不是这部分质量消失了或转变为能量。　 2．不是。爱因斯坦质能方程说明了质量和能量这两个物理量间的对应关系，说明有质量就有能量，并不是说质量转化为能量。 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。 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。 (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．核能的计算 (1)根据质量亏损计算 ①根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损Δm。 ②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)利用原子质量单位u和电子伏特计算 根据1 u相当于931.5 MeV的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV。其中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV。 角度1　质能方程的理解 　(多选)1905年，爱因斯坦发表狭义相对论时提出了质能方程E＝mc2，质能方程的正确性已被大量的实验所证实，并为现代核能的研究和应用提供理论指导，具有深刻意义并发挥出巨大的作用。下列关于质能方程的说法正确的是(　　) A．根据ΔE＝Δmc2可以计算核反应中释放的能量 B．根据质能方程可知，在核反应中仍然遵守质量守恒定律和能量守恒定律 C．E＝mc2中的E是核反应中释放的核能 D．E＝mc2中的E为质量为m的物体所对应的能量 [解析]　根据ΔE＝Δmc2可以计算核反应中释放的能量，故A正确；在核反应中仍然遵守质量守恒定律和能量守恒定律，故B正确；质能方程E＝mc2中的E表示质量为m的物体所对应的能量，故C错误，D正确。 [答案]　ABD 角度2　核能的计算 　(多选)(2024·陕西渭南统考期末)中子活化是指将样品用中子照射后，样品中的原子经中子俘获而变得具有放射性的过程。俘获中子后的原子核通常会立即衰变，释放出粒子同时生成新的活化产物。Mg经中子n照射后发生反应，最终生成Na并释放一粒子X，若n、Mg、Na和X的质量分别为 1.008 7 u、23.985 0 u、23.991 0 u、1.007 8 u，1 u 相当于931.5 MeV的能量，下列说法正确的是(　　) A．反应方程式：n＋Mg→Na＋e B．Mg具有放射性，能衰变成Na和X C．生成物的质量减少0.005 1 u D．反应将吸收能量约4.75 MeV [解析]　反应方程式为n＋Mg→Na＋H，故A错误；由题意知，Mg俘获中子后，生成的Mg具有放射性，故B正确；反应前后生成物质量变化Δm＝23.991 0 u＋1.007 8 u－1.008 7 u－23.985 0 u＝0.005 1 u，说明生成物的质量增加0.005 1 u，故C错误；生成物的质量增加，所以吸收的能量E＝Δm×931.5 MeV＝4.750 65 MeV，故D正确。 [答案]　BD 　(2024·河南南阳期末)已知中子的质量mn ＝ 1.674 9 × 10－27 kg，质子的质量mp＝1.672 6×10－27 kg，氘核的质量mD＝3.343 6×10－27 kg，真空中的光速c＝3.00×108 m/s, 基本电荷e＝1.60×10－19 C，则氘核的比结合能是多少eV? [解析]　自由核子结合时释放的核能即为氘核的结合能，ΔE ＝ Δmc2，Δm ＝ mp ＋ mn － mD 代入数据解得ΔE ＝ 3.51 × 10 － 13J 可得ΔE＝ eV≈2.19×106 eV 则氘核的比结合能E＝≈1.1×106 eV。 [答案]　1.1×106 eV 1．(原子核的人工转变)宇宙射线进入地球大气层时同大气作用产生中子，中子撞击大气中的氮核N引发核反应，产生碳核C和原子核X，则X为(　　) A．H B．H C．He D．He 解析：选A。根据题意以及电荷数守恒、质量数守恒，得该核反应方程为n＋N―→C＋H，所以原子核X为H，故A正确，B、C、D错误。 2．(对结合能的理解)(多选)如图所示，这是原子核的核子平均质量与原子序数Z的关系图像，下列说法正确的是(　　) A．若原子核D和E结合成F，则结合过程一定会吸收核能 B．若原子核D和E结合成F，则结合过程一定会释放核能 C.若原子核A分裂成B和C，则分裂过程一定会吸收核能 D．若原子核A分裂成B和C，则分裂过程一定会释放核能 解析：选BD。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，则分裂过程有质量亏损，一定要释放能量，故C错误，D正确。 3．(质能方程和核能的计算)已知一种核聚变的方式是两个氘核通过核反应产生一个He核和一个中子，其中氘核的质量为2.013 u，该氦核的质量为3.015 u，中子的质量为1.008 7 u，已知1 u相当于931.5 MeV的能量。 (1)写出核反应方程。 (2)求该核反应方程释放的能量E(计算结果保留4位有效数字)。 解析：(1)核反应方程为H＋H→He＋n。 (2)核反应中的质量亏损 Δm＝2mH－mHe－mn＝0.002 3 u 则释放的能量E＝0.002 3×931.5 MeV≈2.142 MeV。 答案：(1)H＋H→He＋n　(2)2.142 MeV 学科网（北京）股份有限公司 $