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高中物理·选修3-5·鲁科版第4章核能第1节核力与核能[目标定位]1.知道核力的概念、特点.2.知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小.3.理解结合能和平均结合能的概念，知道核反应中的质量亏损.4.知道爱因斯坦质能方程，理解质量与能量的关系．一、核力与核的稳定性1．核力：把原子核中的维系在一起的力，把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核．2．核力特点：(1)核力是的一种表现．(2)核力是，作用范围在左右．预习导学核子核力强相互作用短程力2fm3．核素：具有相同和的原子核．4．核素图：用横坐标表示质子数，纵坐标表示中子数，每一种核素用一小方块表示，所得到的图象．5．核的稳定性(1)核素的稳定区：几乎全落在一条曲线上，或紧靠曲线两侧的区域．(2)稳定核素的中子数与质子数的关系：随着的增加，稳定核素的中子数越来越质子数．预习导学质子数中子数质子数大于二、结合能与平均结合能1．结合能：克服核力束缚，使原子核分解为单个核子时的能量，或自由核子在核力作用下结合成原子核时的能量．2．平均结合能：原子核的结合能与之比．平均结合能越大，表示原子核中核子结合的越，原子核越，的核的平均结合能最大、也最稳定．预习导学吸收放出核子数牢固稳定中等质量3．质量亏损(1)爱因斯坦质能方程.(2)质量亏损：原子核的质量组成它的所有核子的质量之和，它们的差值称为质量亏损．(3)亏损的质量与释放的能量间的关系：.预习导学E＝mc2小于ΔE＝Δmc2想一想有人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认识对不对？答案不对，在核反应中质量数守恒即核子的个数不变，只是核子组成原子核时，仿佛变“轻”了一些，原子核的质量总是小于其全部核子质量之和，即发生了质量亏损，核子的个数并没有变化．预习导学一、对核力及原子核中质子与中子的比例的理解1．核力的特点：核力是只在邻近的核子之间发生的一种强相互作用，是短程力．2．核子比例关系：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，越重的元素，两者相差越多．课堂讲义课堂讲义3．形成原因(1)若质子与中子成对地人工构建原子核，由于核力是短程力．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，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于核力的作用范围，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的．课堂讲义【例1】下列关于原子核中质子和中子的说法，正确的是()A．原子核中质子数和中子数一定相等B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多C．原子核都是非常稳定的D．对于较重的原子核，由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果继续增大原子核，形成的核也一定是不稳定的课堂讲义答案D解析自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多．因此正确答案选D.课堂讲义二、结合能与平均结合能的理解1．平均结合能曲线：不同原子核的平均结合能随质量数变化图线如图4－1－1所示．图4－1－1课堂讲义从图中可看出，中等质量原子核的平均结合能较大，轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核要小．2．当平均结合能较小的原子核转化为平均结合能较大的原子核时会释放核能，反之，需要吸收能量．3．平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，中等核子数的原子核，平均结合能较大，原子核较稳定．课堂讲义【例2】下列关于结合能和平均结合能的说法中，正确的有()A．核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能B．平均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，重核的结合能和平均结合能都大D．中等质量原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大课堂讲义答案D解析核子结合成原子核会放出能量，原子核拆解成核子需要吸收能量，A选项错误；平均结合能越大的原子核越稳定，但平均结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的平均结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核反而小，B、C选项错误；中等质量原子核的平均结合能比轻核的大，它的原子核内核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，D选项正确．课堂讲义借题发挥结合能、平均结合能的对比理解(1)核子结合成原子核时一定释放能量，原子核分开成核子时一定吸收能量．吸收或释放的能量越大，表明原子核的结合能越大．(2)平均结合能为结合能与核子数的比值，平均结合能越大表明原子核越稳定．一般情况下，中等质量的原子核比轻核和重核的平均结合能都大．课堂讲义针对训练一个中子与某原子核发生核反应，生成一个氘核，其核反应方程式为________________．该反应放出的能量为Q，则氘核的平均结合能为________________．答案10n＋11H―→21HQ2解析方程式：10n＋11H―→21H核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫原子核的结合能．它的结合能与核子数之比，称作平均结合能，由题意知氘核的核子数为2，所以平均结合能为Q2.课堂讲义三、质量亏损和核能的计算1．对质能方程和质量亏损的理解(1)质能方程质能方程：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是E＝mc2.(2)质量亏损质量亏损，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．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.课堂讲义2．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原子质量单位(u)相当于931.5MeV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931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5MeV.其中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV.课堂讲义【例3】某核反应方程为21H＋31H→42He＋X.已知21H的质量为2.0136u，31H的质量为3.0180u，42He的质量为4.0026u，X的质量为1.0087u．则下列说法中正确的是()A．X是质子，该反应释放能量B．X是中子，该反应释放能量C．X是质子，该反应吸收能量D．X是中子，该反应吸收能量答案B课堂讲义解析由题目所给核反应方程式，根据核反应过程质量数、电荷数守恒规律，可得21H＋31H→42He＋10X，X为中子，在该反应发生前反应物的总质量m1＝2.0136u＋3.0180u＝5.0316u，反应后产物总质量m2＝4.0026u＋1.0087u＝5.0113u．总质量减少，出现了质量亏损．根据爱因斯坦的质能方程可知该反应释放能量，故B正确．课堂讲义借题发挥在核反应中，是释放能量还是吸收能量，需要确定反应前、后质量的变化．若反应后质量减少即发生了质量亏损，则释放出能量，反之吸收能量．由于不明确质量亏损的含义和与能量的关系，易误选D.注意此反应过程质量发生亏损，释放出能量．课堂讲义【例4】已知氮核质量MN＝14.00753u，氧17核的质量MO＝17.00454u，氦核质量MHe＝4.00387u，氢核质量MH＝1.00815u，试判断：147N＋42He―→178O＋11H这一核反应是吸收能量还是放出能量？能量变化是多少？答案吸收能量1.2MeV课堂讲义解析反应前总质量：MN＋MHe＝18.01140u，反应后总质量：MO＋MH＝18.01269u.可以看出：反应后总质量增加，故该反应是吸收能量的反应．吸收的能量利用ΔE＝Δmc2来计算，若反应过程中质量增加1u，就会吸收931.5MeV的能量，故ΔE＝(18.01269－18.01140)×931.5MeV≈1.2MeV.再见