第5章 第3节 核反应 结合能（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（教科版）

本讲义聚焦核反应与结合能核心知识点，系统梳理核反应的人工转变、方程书写及守恒定律，衔接结合能、质量亏损与质能方程，进而分析比结合能曲线及原子核稳定性，构建从基础概念到规律应用的递进式学习支架。 该资料以核心素养为导向，通过卢瑟福发现质子等典型核反应方程实例培养科学思维，结合比结合能曲线分析提升科学探究能力，典例体验与针对训练结合，课中辅助教师教学，课后助力学生查漏补缺，强化物理观念中的能量观念。

第3节　核反应　结合能 [核心素养导学] 物理观念 (1)知道人工转变、核反应及核反应方程的书写。 (2)认识原子核的结合能和比结合能的概念。 (3)知道质量亏损和质能方程。 科学思维 能用质量亏损和质能方程计算核能相关的问题。 科学探究 结合能、比结合能与原子核的稳定性的关系。 科学态度与责任 关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。 一、核反应 1.人工转变:人类历史上第一次实现原子核结构的人工转变HeNO+H。 2.核反应: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。 3.在核反应中,质量数和电荷数都守恒。 二、原子核结合能 1.原子核的结合能:分散的核子结合成原子核的过程中所释放的能量。 2.质量亏损 (1)定义: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)结合能计算公式:ΔE=Δm·c2。 3.爱因斯坦质能方程:E=m·c2。 三、比结合能曲线 1.比结合能:原子核的结合能ΔE与其核子数A之比称为该核的比结合能,又称为平均结合能。 2.比结合能曲线 (1)表示原子核的比结合能随核子数变化的情况。 (2)曲线特点:“中间高两头低”说明中等质量的原子核的比结合能较大。 1.(1)将一个质子和一个中子结合成一个氘核,能量减小了,是否违反了能量守恒定律?为什么? (2)将一个质子和一个中子结合成一个氘核,质量减小了,是否违反了质量守恒定律?为什么? 提示:(1)没有违反能量守恒定律;减少的这部分能量以γ光子的形式释放出去。 (2)没有违反质量守恒定律;减小的那部分质量等于γ光子的动质量。 2.如图所示为部分原子核的比结合能曲线。 (1)图中比结合能最小的是什么原子核?说明什么问题? 提示:是氘原子核,说明氘原子核不稳定。 (2)随着质量数的增加,比结合能曲线整体上有什么变化规律? 提示:随着质量数的增加,比结合能曲线整体上先增大再减小,中等大小核的比结合能最大、最稳定。 　　　　　　　　　　　　　　　　 新知学习(一)|原子核的人工转变和核反应方程 [重点释解] 1.核反应的条件 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。 2.核反应的实质 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.原子核人工转变的三个典型核反应 (1)1919年卢瑟福发现质子的核反应: NHeOH。 (2)1932年查德威克发现中子的核反应: BeHeCn。 (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: AlHePnPe。 4.人工转变核反应与衰变的比较 不同点 原子核的人工转变是一种核反应,是其他粒子与原子核相碰撞的结果,需要一定的装置和条件才能发生,而衰变是原子核的自发变化,它不受物理和化学条件的影响 相同点 人工转变与衰变过程一样,在发生过程中质量数与电荷数都守恒,反应前后粒子总动量守恒 [典例体验] 　　[典例]　1993年,中国科学院上海原子核研究所制得了一种新的铂元素的同位素Pt。制取过程如下: (1)用质子轰击铍靶Be产生快中子; (2)用快中子轰击汞Hg,反应过程可能有两种: ①生成Pt,放出氦原子核; ②生成Pt,同时放出质子、中子。 (3)生成的Pt发生两次衰变,变成稳定的原子核汞Hg。 写出上述核反应方程。 [解析]　根据质量数守恒,电荷数守恒,确定新生核的电荷数和质量数,然后写出核反应方程。如下: (1BeHBn。 (2)①nPtHe。 ②nPt+Hn。 (3PtAueAuHge。 [答案]　见解析 /易错警示/ 写核反应方程时应注意以下三点 　　(1)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,只能用单箭头表示反应方向。 (2)核反应方程应以实验事实为基础,不能凭空杜撰。 (3)核反应过程和衰变现象都遵循电荷数和质量数守恒。质量数守恒不是质量守恒,核反应过程中一般会发生质量的变化。 [针对训练] 1.(2025·海南高考)核反应方程中U+XBaKr+n,则X是 (　　) AHe BH Cn De 解析:选C　根据核反应前后质量数守恒和核电荷数守恒可知X是n。故选C。 2.如图所示是原子核人工转变实验装置示意图,A是α粒子源,F是铝箔,S是荧光屏,在容器中充入氮气后,屏S上出现闪光,该闪光产生的原因是 (　 ) A.α粒子射到屏S上产生的 B.粒子源中放出的γ射线射到屏上产生的 C.α粒子轰击铝箔F上打出的某种粒子射到屏上产生的 D.α粒子轰击氮核后产生的某种粒子射到屏上产生的 解析:选D　充入氮气后,α粒子轰击氮核产生质子,质子穿过铝箔后射到荧光屏上,使荧光屏上出现闪光,故D正确。 新知学习(二)|对比结合能的理解 [重点释解] 1.比结合能曲线 不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图所示。 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性的关系 (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,表示该核越稳定。 (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;中等质量大小的核比结合能较大,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。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。 [典例体验] 　　[典例]　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 (　 ) AHe核比Li核更稳定 BHe核的结合能约为14 MeV C.两个H核结合成He核时吸收能量 DU核中核子的平均结合能比Kr核中核子的平均结合能大 [解析]　比结合能越大,原子核越稳定,由题图可知,氦核的比结合能比锂核的比结合能大,则He核比Li核更稳定,A正确;由题图可知,氦核的比结合能大约为7 MeV,氦核的核子数为4,则氦核的结合能大约为28 MeV,故B错误;两个H核结合成He核时有质量亏损,释放能量,C错误;由题图可知U核中核子的平均结合能比Kr核中核子的平均结合能小,故D错误。 [答案]　A /方法技巧/ 结合能的应用技巧 　　(1)组成原子核的核子越多,结合能越大。 (2)结合能与核子个数之比称为比结合能,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。 [针对训练] 1.(多选)关于原子核的结合能与平均结合能,下列说法中正确的是 (　 ) A.原子核的结合能等于核子与核子之间结合成原子核时核力做的功 B.原子核的结合能等于核子从原子核中分离,外力克服核力做的功 C.平均结合能是核子与核子结合成原子核时平均每个核子放出的能量 D.不同原子核的平均结合能不同,重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能大 解析:选ABC　原子核中,核子与核子之间存在核力,要将核子从原子核中分离,需要外力克服核力做功;当自由核子结合成原子核时,核力将做功,释放能量,故A、B正确;对某种原子核,平均每个核子的结合能称为平均结合能,故C正确;不同原子核的平均结合能不同,重核的平均结合能比中等质量原子核的平均结合能要小,故D错误。 2.氚是核污水中难以去除的放射性物质,会发生β衰变生成He,半衰期约为12年。则 (　 ) A.β衰变方程为HHe B.β衰变中释放的能量为氚的结合能 CH的比结合能比He的比结合能大 D.核污水中氚的含量减少一半需要约6年 解析:选A　根据核反应,电荷数守恒,质量数守恒可得HHe,这是β衰变,A正确;放射性原子核发生衰变时,释放的能量通常以两种形式存在,一是产物粒子的动能,二是高能光子,B错误;氚β衰变时释放能量,故H的比结合能比He的比结合能小,C错误;发生β衰变生成He,半衰期约为12年,即没有发生衰变的核污水中氚的含量减少一半需要约12年,D错误。 新知学习(三)|质能方程与核能计算 [任务驱动] 　　如图所示是原子核转变示意图。 　　(1)在核反应过程中质量数、电荷数是否守恒? 提示:在核反应过程中质量数与电荷数守恒。 (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? 提示:核反应过程中会发生质量亏损。 [重点释解] 1.质量亏损 (1)科学家研究证明在核反应中原子核的总质量并不相等。例如,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,这种现象叫作质量亏损,质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来。 (2)Δm是核反应前与核反应后的质量之差。 2.质能方程E=mc2 爱因斯坦指出,物体的能量(E)和质量(m)之间存在着密切的关系,即E=mc2,式中c为真空中的光速。爱因斯坦质能方程表明:物体所具有的能量跟它的质量成正比。由于c2这个数值十分巨大,因而物体的能量是十分可观的。 3.核能的计算方法 (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≈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。 4.判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法 (1)根据反应前后质量的变化情况进行判断,若质量减少即发生了亏损,则释放能量;若质量增加,则吸收能量。 (2)根据动能变化判断,若不吸收光子而动能增加则放出能量。 [典例体验] 　　[典例]H的质量是3.016 050 u,质子的质量是1.007 277 u,中子的质量是1.008 665 u。1 u相当于931.5 MeV的能量。 (1)写出一个质子和两个中子结合为氚核时的核反应方程。 (2)一个质子和两个中子结合为氚核时,是吸收还是放出能量?该能量为多少? (3)氚核的结合能和比结合能各是多少?(计算结果均保留三位有效数字) [解析]　(1)根据电荷数守恒、质量数守恒,一个质子和两个中子结合为氚核时,有H+nH。 (2)2个中子和1个质子结合成氚核时质量亏损为Δm=mp+2mn-mH=1.007 277 u+2×1.008 665 u-3.016 050 u=0.008 557 u,所以该反应放出能量;放出的能量为ΔE=0.008 557×931.5 MeV≈7.97 MeV。 (3)2个中子和1个质子结合成氚核时放出的能量为7.97 MeV,所以氚核的结合能为7.97 MeV,氚核的比结合能为= MeV≈2.66 MeV。 [答案]　(1)H+nH　(2)放出能量,该能量为7.97 MeV　(3)7.97 MeV　2.66 MeV [针对训练] 1.下列说法中正确的是 (　 ) 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 C.核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变成为能量 D.因在核反应中能产生能量,且有质量的转化,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 解析:选B　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,并不是说明能量和质量之间存在相互转化的关系,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,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的质量由静质量变成动质量,D错误。 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于物质质量的减少,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 解析:选C　根据质能方程E=mc2可知,每秒钟平均减少的质量为Δm== kg= kg,则每秒钟平均减少的质量量级为1029kg。 　　　　　　　　　　　　　　　　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 ◉物理观念——核能 1.(选自人教版教材课后练习)原子物理中常把碳12原子质量的叫作“原子质量单位”,用1 u表示(1 u=1.660 6×10-27 kg)。 请根据E=mc2证明:1 u相当于931.5 MeV的能量。已知光速c为2.997 9×108 m/s,元电荷e为1.602 2×10-19 C。 解析:1 u=1.660 6×10-27 kg 根据E=mc2 E=1.660 6×10-27×(2.997 9×108)2 J = eV≈931.5 MeV。 答案:见解析 ◉科学思维——核能的计算 2.(选自鲁科版教材课后练习)某次核反应中U变成Xe和Sr,同时释放出若干中子。U的平均结合能约为7.6 MeVXe的平均结合能约为8.4 MeV,Sr的平均结合能约为8.7 MeV。 (1)把U分解成核子时,要吸收多少能量? (2)使相应的核子分别结合成Xe和Sr时,要释放出多少能量? (3)在这个核反应中是吸收能量还是释放能量?这个能量大约是多少? 解析:(1)原子结合能即核子结合成相应原子核时释放的能量。原子结合能的大小等于将原子核分解成核子时吸收的能量,故将U分解成核子时,吸收的能量大小等于其结合能,故会吸收能量E1=235×7.6 MeV=1 786 MeV; (2)将相应的核子结合成Xe时要释放的能量为E2=136×8.4 MeV=1 142.4 MeV,将相应的核子结合成Sr时,要释放的能量为E3=90×8.7 MeV=783 MeV; (3)这个核反应释放的能量为E=E2+E3-E1=1 142.4 MeV+783 MeV-1 786 MeV=139.4 MeV>0,故会释放约139.4 MeV能量。 答案:(1)1 786 MeV　(2)1 142.4 MeV　783 MeV　(3)释放能量　139.4 MeV 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1.硼中子俘获疗法是目前治疗癌症最先进的手段之一BnXY是该疗法中一种核反应的方程,其中X、Y代表两种不同的原子核,则 (　 ) A.a=7,b=1 B.a=7,b=2 C.a=6,b=1 D.a=6,b=2 解析:选B　由核反应前后质量数和电荷数守恒可得10+1=a+4,5+0=3+b,解得a=7,b=2,故选B。 2.(2024·广东高考)我国正在建设的大科学装置——“强流重离子加速器”,其科学目标之一是探寻神秘的“119号”元素,科学家尝试使用核反应YAmX+n产生该元素。关于原子核Y和质量数A,下列选项正确的是 (　 ) A.Y为Fe,A=299 B.Y为Fe,A=301 C.Y为Cr,A=295 D.Y为Cr,A=297 解析:选C　根据核反应方程YAmX+n和电荷数守恒,设Y的电荷数为y,则有y+95=119+0,可得y=24,即Y为Cr;根据质量数守恒,则有54+243=A+2,可得A=295。 3.钋210Po)是一种放射性很强的同位素,为了探测射线的性质,真空室中在放射源钋210的对侧放置一荧光屏,可以根据荧光屏上的打点情况来检测射线的强弱。 (1)在放射源与荧光屏之间不加任何场时发现荧光屏的中间有闪光产生,当施加一垂直的匀强磁场时,发现荧光屏的闪光都向一侧偏移,撤去磁场在放射源与荧光屏中间放一厚纸,发现荧光屏上没有闪光产生,请你根据上面的情况分析判断是什么射线,同时写出衰变方程(新原子核用Y表示)。 (2)α粒子以初速度v0轰击静止的氮14原子核打出一种新的粒子,同时产生一个新的原子核,新的原子核速度为3v0,且方向不变,反应过程中释放的能量完全转化为系统的动能,已知中子质量为m,质子质量和中子质量相等,光速为c,试计算此反应过程中的质量亏损。 解析:(1)因为α粒子的穿透本领较小,一张纸即可把它挡住,而β射线和γ射线都可以穿透纸,所以该射线是α射线,该衰变为α衰变,所以衰变方程为PoYHe。 (2)根据物理学史可知,用α粒子轰击静止的氮14原子核打出一种新的粒子,即质子,则新原子核的质量数为A=14+4-1=17,核电荷数为Z=7+2-1=8,核反应方程为HeNOH,设α粒子、新核的质量分别为4m、17m,质子的速度为v,对心正碰,选取α粒子运动的方向为正方向,由动量守恒定律得4mv0=17m·3v0+mv,解得v=-47v0, 释放的核能为ΔE=·17m(3v0)2+m·(47v0)2-·4m=1 179m, 由质能方程得ΔE=Δm·c2,所以Δm=。 答案:(1)α射线,衰变方程为PoYHe　(2) 学科网（北京）股份有限公司 $