5.3 核反应 结合能 课件-2026-2027学年高二下学期物理教科版选择性必修第三册

第五章　原子核与基本粒子 核反应 结合能 知道核反应及其遵循的规律，会正确书写核反应方程式。 理解结合能和比结合能的概念。 认识原子核的质量亏损，并能应用质能方程进行相关的计算。 重点 重难点 2 1 3 学习目标 核反应 一 核反应 1.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，叫作核反应。 (1)条件：用α粒子、质子、中子、光子或高能电子轰击原子核使原子核发生转变。 (2)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。 2.遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒。 3.原子核人工转变的三大发现 (1)1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现质子，He—→OH 粒子 铝箔 荧光屏 氮气 显微镜 卢瑟福 新元素 (2)1932年查德威克用α粒子轰击铍，发现中子：He→Cn。 (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：He→Pn，PSie。 查德威克 α 射线 检测器 中子 质子 衰变和原子核的人工转变有什么不同？ 答案　衰变是具有放射性的不稳定核自发进行的变化，原子核的人工转变是用α粒子、质子、中子或γ光子轰击原子核发生的变化。 讨论交流 1.完成下列核反应方程，并指出其中哪个是发现质子的核反应方程，哪个是发现中子的核反应方程。 (1)nC+　　；  (2)HeO+　 ；  (3)n→　  He； (4)He→　  n； (5)HCo +　 。  　 　 发现质子的核反应方程 发现中子的核反应方程 例题 书写核反应方程时要注意： (1)质量数守恒和电荷数守恒； (2)中间用箭头，不能写成等号； (3)核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中，一般会发生质量的变化。 总结提升 原子核结合能　比结合能曲线 二 氘核具有较多的能量，还是氘核分离以后的质子和中子具有较多的能量？ 氘核 中子 （mn） 质子 （mp） 微观世界的能量 氘核 中子 （mn） 质子 （mp） 核子拆散，克服核力(引力)做功，吸收能量 核子结合，释放能量 观察与思考 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。 结合能 比结合能 1.结合能 (1)由分散的核子结合成原子核的过程中所释放出的能量称为原子核的结合能。这个能量也是把原子核分成核子时吸收的能量。 (2)原子核的结合能是非常巨大的。 2.比结合能 (1)把原子核的结合能ΔE除以核子数A，即，称为原子核的比结合能，也叫平均结合能。 (2)比结合能越大，核就越稳定，比结合能是原子核稳定程度的量度。 如图所示是不同原子核的比结合能随核子数变化的曲线。 (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　由曲线可以看出中等质量的 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比结合能要小。且轻核的比结合能曲线还有较大起伏。 讨论交流 (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？ 答案　释放能量。 2.(多选)下列关于结合能和比结合能的说法正确的是 A.氘核与氚核结合成氦核，比结合能减小 B.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 C.铀核()发生α衰变生成钍核Th)，释放能量，则铀核的比结合能 比钍核小 D.铯原子核Cs)的结合能小于铅原子核Pb)的结合能 √ √ √ 例题 质量亏损　质能方程 三 物理学家研究质子、中子和氘核之间的质量关系发现： 核反应质量亏损 氘核 →能量 中子 （mn） 质子 （mp） （m ） > 观察与思考 1.质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象，叫质量亏损。 2.质能方程 (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：ΔE=Δmc2。 (2)扩展：质量为m的物体，所蕴含的能量E= mc2 。这个方程就是爱因斯坦关于质量与能量之间联系的方程，简称质能方程。 观察与思考 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，是反应中核子总数不变。 讨论交流 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。 (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在核子结合成原子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。 总结提升 原子核的比结合能随质量数A的变化曲线（实验数据） 1.中等大小的核比结合能最大 2.中等大小的核平均每个核子的 质量亏损最大 3.中等大小的核最稳定 3.(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 √ 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1029 kg，故选C。 例题 4U衰变为钍核(其元素符号为Th)，释放出一个α粒子，已知铀核的质量为238.007 u，钍核的质量为234.038 u，α粒子质量为3.897 u，1 u相当于931.5 MeV的能量，请完成以下问题： (1)写出核反应方程； (2)求此衰变过程释放的核能为多少MeV？(结果保留两位有效数字) 答案　 (1) HeTh　(2)67 MeV (1)核反应方程为UHeTh (2)设铀核的质量为m1，钍核的质量为m2，α粒子的质量为m3 则质量亏损为Δm=m1-m2-m3=0.072 u 释放的核能ΔE=Δm×931.5 MeV≈67 MeV。 核能的计算方法 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＝3×108 m/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) 3.在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能全部转化为生成的新核和新粒子的动能。 总结提升 核反应 与 结合能 核反应 比结合能（平均结合能）=结合能/核子数 原子核之间或与粒子之间的反应 质量亏损 质能方程 质能方程： 原子核结合能 比结合能曲线 遵循规律：质量数守恒、电荷数守恒 原子核人工转变的三大发现 结合能：原子核分解成核子时所吸收的能量，也是核子结合成原子核而释放的能量。 氘核与氚核结合成氦核，是轻核结合成中等大小的核，比结合能增大，故A错误；根据定义可知，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，故B正确；铀核发生α衰变生成钍核，释放能量，重核分裂成中等大小的核，则铀核的比结合能比钍核的小，故C正确；由比结合能曲线可知，铯原子核Cs)的比结合能与铅原子核Pb)的比结合能相差不太大，而铯原子核Cs)的核子数比铅原子核Pb)的核子数少将近一半，所以铯原子核Cs)的结合能小于铅原子核Pb)的结合能，D正确。 Keep thinking $