5.3 核力与结合能 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

第五章 原子核 3 核力与结合能 High school physics 理解结合能和比结合能的概念。 知道核力的概念、特点和四种基本相互作用。 知道原子核的质量亏损，并能应用质能方程进行相关的计算。 03 02 01 重点 重难点 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? 相互排斥 中子 质子 原子核的组成：质子和中子 情境导入 相互吸引 难道是 万有引力？ 中子 质子 原子核的组成：质子和中子 猜想 中子 质子 F库 质子间距r—数量级为10-15m；质子质量m—数量级为10-27kg， 质子电量e —数量级为10-19C；G —数量级为10-11，k —数量级为109。估算库仑力与万有引力之比？ 猜想：存在第三种力——核力。 验证： 结论：核子不可能靠自身万有引力抗衡库仑斥力 核力与四种基本相互作用 1. 定义 能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力，叫做核力。 核力 p n n p p n 3H 3He 质子——中子 中子——中子 质子——质子 核心知识 (2) 短程力 (1) 强相互作用（强力）：在原子核尺度内，核力>>库仑力。 (3) 饱和性：每个核子只与相邻核子发生核力作用。 (4) 与电荷无关：对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。 2. 特点 约在10-15m数量级时起作用，距离小于0.8×10-15m时为斥力，距离大于0.8×10-15m时为引力，距离为1.5×10-15m时核力几乎消失，因此核子不会融合在一起。 核心知识 引力相互作用 自然界的一种基本相互作用，主要在宏观和宇宙尺度上发挥作用。地面物体所受重力只是引力在地球表面附近的一种表现。 四种基本相互作用 核心知识 电磁相互作用 原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分子结合成液体与固体。 宏观物体间的压力、拉力、弹力、支持力等，都起源于电荷间的 电磁相互作用。 核心知识 弱相互作用 弱相互作用引起原子核β衰变，即引起中子—质子转变的原因。 弱相互作用是短程力，力程比强力更短，约在10-18m时起作用。 作用强度比电磁力小。 强相互作用 核心知识 为什么质量数较大的稳定原子核中的中子数多于质子数？ 答案　中子数较多，可以缓解质子之间的库仑斥力的影响，因此，在大而稳定的原子核中，中子数多于质子数。 n n n 除核力外，还有库仑斥力 p p p p n n 核力 核力 核力 核力 核力 核力 思考与讨论 (1)原子核中粒子所受的万有引力和电磁力可以达到平衡。(　　) (2)核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大。(　　) (3)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因。(　　) (4)核力的作用范围只有约10-15 m。(　　) (5)中子和中子之间不会有核力作用。(　　) √ × √ × × 易错辨析 结 合 能 宏观模型： 相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，运动速度越来越大 两个物体为了结合而失去了一些能量，若要分开两个物体，还需重新赋予能量。 引力势能 动能 内能 损失机械能 碰撞 观察与思考 微观模型： 损失能量 补充能量 把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系? 核子分开，克服核力做功，吸收能量 核子结合，核力做正功，放出能量 原子核 核子 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，这就是原子核的结合能。 组成原子核的核子数越多，结合能越高。 思考：如果结合能越大，就说明把原子核分开，所需要的能量越大，是不是就意味着原子核越稳定呢？ 结合能 核心知识 比结合能（平均结合能） 比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。 比结合能 结合能 核子数 = Fe 核心知识 如图所示是不同原子核的比结合能随质量数变化的曲线。 (1)从图中看出，中等质量的原子核与重核、轻核相比，比结合能有什么特点？ 答案　中等质量的原子核的比结合能较大，原子核最稳定，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核的比结合能要小。 中等质量的核 轻核结合 重核分裂 思考与讨论 (2)比结合能较小的原子核转化为比结合能较大的原子核时是吸收能量还是释放能量？为什么？ 答案　释放能量 比结合能较小的原子核转为比结合能较大的原子核时，可以理解为比结合能较小的原子核中的核子先拆成单个核子，再重新结合成比结合能较大的原子核。拆开时吸收的能量少，结合时释放的能量多，所以要释放能量。 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时，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轻核的平均结合能大 √ √ √ 重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能要小，轻核的平均结合能也比中等质量核的平均结合能要小，但重核的平均结合能不一定比轻核的平均结合能大，故D错误。 例题 2.(多选)如图所示是原子核的平均结合能(也称比结合能)与质量数的关系图像，通过该图像可以得出一些原子核的平均结合能，如的核子平均结合能约为 8 MeV，的核子平均结合能约为7 MeV，根据该图像判断下列说法正确的是 A.随着原子质量数的增加，原子核的平均结 合能增大 B.核的平均结合能最大，最稳定 C.把分成8个质子和8个中子比把分成 4个He要多提供约16 MeV的能量 D.把分成8个质子和8个中子比把分成4个He要多提供约112 MeV的能量 √ √ 根据题图，随着原子质量数的增加，原子核的平均结合能先增大后减小，故A错误； 核的平均结合能最大，最稳定，故B正确； 把分成8个质子和8个中子，需要提供的能量约为E1=16×8 MeV= 128 MeV，把分成4个He要提供的能量约为E2=16×(8-7) MeV=16 MeV，提供的能量的差值为ΔE=E1-E2=112 MeV，故C错误，D正确。 面包掰开会掉渣，原子核在拆开、组合的过程会掉“渣” 吗? 03 质量亏损 E=m 原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象，叫作质量亏损。 原子核 质量亏损 中子 质子 质量亏损 亏损的质量去哪里了? 核心知识 (1)爱因斯坦狭义相对论认为，质量亏损Δm与释放的核能ΔE之间的关系： 原子核 能量 质量亏损 光 中子 质子 ΔE = Δmc2 质能方程 (2)扩展：质量为m的物体，所蕴含的能量E=mc2 。 为核能的利用打开了大门！ 核心知识 核反应中发生的“质量亏损”说明核反应中质量不守恒，所以核反应前后质量数不守恒，这种认识正确吗？为什么？ 答案　不正确。核反应中“质量亏损”并不是质量消失，而是以能量的形式辐射出去。在核反应前后，质量数守恒，即反应中核子总数不变。 思考与讨论 对质能方程E=mc2的理解 (1)质能方程E=mc2说明一定的质量总是跟一定的能量相联系。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，E不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。 (2)根据质能方程E=mc2，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。 提炼·总结 (3)根据质能方程ΔE=Δmc2，核反应过程中发生的质量亏损，并不是消失了，减少的质量Δm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。 提炼·总结 3.(来自教科教材)氘核是由1个中子和1个质子构成的，它们的静质量可分别取为：mp(质子质量)=1.672 6×10-27 kg，mn(中子质量)=1.674 9×10-27 kg，mH(氘核质量)=3.343 6×10-27 kg，真空中光速c=3.0×108 m/s， 1 eV=1.6×10-19 J。试计算中子和质子结合成氘核过程的质量亏损以及氘核的结合能。 答案　3.9×10-30 kg　2.2 MeV 　 例题 在这一过程中的质量亏损为 Δm=(mp+mn)-mH =1.672 6×10-27 kg+1.674 9×10-27 kg-3.343 6×10-27 kg=3.9×10-30 kg 根据质能方程可知 ΔE=Δm·c2=3.9×10-30×(3.0×108)2 J=3.51×10-13 J≈2.2 MeV 所以氘核的结合能约为2.2 MeV。 4.(2025·浙江省检测)在一次核反应中，铀核U变成了氙核Xe和锶核Sr，同时放出若干中子。U的比结合能约为7.6 MeV，Xe的比结合能约为8.4 MeV，Sr的比结合能约为8.7 MeV，下列说法正确的是 A.核反应出现质量亏损，质量数减少 B.若把U全部分解为核子，将吸收能量约178.6 MeV C.该核反应中铀核结合能最大，原子核结合的最牢固 D.核反应放出的能量约3.33×10-11 J √ 核反应过程质量数守恒，故A错误； 将原子核全部分解为核子需吸收的能量等于其结合能，铀核结合能E=235×7.6 MeV=1 786 MeV，故B错误； 氙核结合能为139×8.4 MeV=1 167.6 MeV， 锶核结合能为95×8.7 MeV=826.5 MeV， 铀核结合能最大；比结合能越大原子核结合越牢固，而铀核比结合能小于氙核和锶核，故C错误； 核反应释放的能量等于反应后生成的所有新核的总结合能减去反应前总结合能。反应前结合能E前=1 786 MeV， 反应后结合能E后=1 167.6 MeV+826.5 MeV=1 994.1 MeV， 释放能量ΔE=E后-E前=208.1 MeV， 因为1 MeV=1.6×10-13 J， 所以ΔE=208.1×1.6×10-13 J≈3.33×10-11 J，故D正确。 核能的计算方法 1.根据质量亏损计算 (1)根据核反应过程，计算核反应前和核反应后的质量亏损Δm。 (2)根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算核能。 ①若Δm的单位是千克，则需要将c=3×108m/s代入，计算得到的ΔE的单位为焦耳。 ②若Δm的单位是原子质量单位u，则可用ΔE=Δm×931.5 MeV计算，即用质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV。(1 u相当于931.5 MeV的能量) 总结提升 2.利用比结合能计算 原子核的结合能=原子核的比结合能×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，就是该反应所释放(或吸收)的核能。 总结提升 核力与结合能 核力与四种基本相互作用 核力的定义、特点 四种基本相互作用 结合能：拆散整个系统需要的总能量 质量亏损：质能方程 E=mc2 比结合能：拆散系统成员需要的能量 核能的计算方法 课堂小结 本 课 结 束 Keep Thinking! $