2020学年高中物理 第三章 原子核 第4节 原子核的结全能教案 教科版选修3-5

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2020学年高中物理 第三章 原子核 第4节 原子核的结全能教案 教科版选修3-5

四、原子核的结合能 ‎ 教学目标 ‎1.知道原子核结合能、比结合能的概念 ‎2.知道质量亏损,并能根据爱因斯坦质能方程进行相关计算 ‎3.知道获取核能的两种方法 重点难点 重点:核能的计算 难点:结合能、比结合能的进解 设计思想 本节课可从课本‎3-4-1‎的情景引入:人要把两个结合在一起的核子拉开,必须对核子做功,把一部分能量传给核子,这个能量就是原子核结合能,且核子数越多,需要的能量也越大,则原子核结合能也越大。反之,核子结合成原子核要放出能量。接下来由爱因斯坦“质能关系”引出“质量亏损”、核能的计算。‎ 教学资源 多媒体课件 教学设计 ‎【课堂引入】‎ 问题:我们知道核子间存在强大的核力,若要把两核子分开我们必须要付出什么呢?‎ ‎(必须要用力,这个力就要做功,从而引出课题)‎ ‎【课堂学习】‎ ‎(一)原子核的结合能 问题1:把两核子分开我们必须提供它能量,那么把两个分开的核子结合成原子核就会放出能量还是吸收能量呢?‎ ‎●结合能:核子结合成原子核的过程中所释放的能量,或原子核分解成核子时所吸收的能量,称为原子核的结合能。‎ ‎●核子数越多的原子核的结合能越大 ‎(二)原子核的结合能的计算 问题2:我们怎样求出原子核的结合能呢?‎ ‎(展示课本图‎3-4-3‎:核子结合成原子核的质量比核子单独存在时要小 “质量亏损”;再由爱因斯坦提出“质能关系” 爱因斯坦质能方程)‎ ‎●质量亏损:组成原子核核子质量与原子核质量之差 问题3:对一个释放核能的核反应来讲,质量亏损还可怎么说呢?‎ ‎(核反应前原子核的质量与核反应后原子核质量之差)‎ ‎●爱因斯坦质能关系:物体的能量与质存在一种简单的正比关系,即E=mc2‎ ‎●爱因斯坦质能方程:当物体质量发生变化时,它的能量也发生相应的变化,即因质量亏损而释放的能量:ΔE=Δmc2‎ 学生活动一:课本P49“活动”‎ 问题4:1J等于多少ev?1ev等于从少Mev?‎ ‎(1ev=1.6×10-19J 1Mev=106ev)‎ ‎★原子的质量单位u:1u=1.6605×10‎‎-27kg 问题5:一个“原子的质量单位”相当于多少Mev的能量?(931.5Mev)‎ 注:在求核能时,若Δm单位“kg”,则ΔE=Δm×9×1016(J)‎ 若Δm单位“u”,则ΔE=Δm×931.5(Mev)‎ ‎(三)比结合能 问题6:是不是原子核的结合能越大,原子核就越稳定呢?‎ ‎(不同的核结合能不同,且核子数越多的原子核的结合能越大,所以考察原子核稳定性应考证到每个核的结合能是多少,也就是比结合能或叫平均结合能。中等核的比结合能最大,故中等原子核最稳定.)‎ ‎●比结合能:把原子核的结合能除以核子数,即/A称为原子核的比结合能。‎ 问题7:从原子核的比结合能曲线可得到那些结论?‎ ‎★比结合能越大,核就越越稳定,比结合能能是原子核稳定程度的量度。‎ ‎★曲线中间高两头低,说明中等原子核的比结合能最大,中等原子核最稳定。‎ ‎★质量较大的重核与质量较小的轻核比结合能都较小,且轻核算的比结合能有些起伏。‎ 问题8:核反应21H+21H 42He是放出能量还是吸收能量?‎ ‎(从比结合能曲线上可以看出:21H比结合能小,而42He比结合能大,故两个较轻原子核结合成较重原子核要释放能量,这就是下节要学的聚变;反过来,从比结合能曲线上还可以看出,重核分裂成两个中等核也要释放能量,这就是我们要学到的裂变。)‎ 学生活动二:已知氘核质量为2.0136u,中子质量为1.0087u,32He核的质量为3.0150u.(1)写出两个氘核结合成32He的核反应方程?(2)计算上述核反应中释放的核能.(已知1u相当于931.5 MeV能量);(3)32He原子核的平均结合能?‎ 解:(1)21H+21H 32He+10n ‎(2)Δm=0.0035u ΔE=Δm×931.5=3.26Mev ‎(3)E=ΔE/3=1.07Mev 学生活动三:一个α粒子轰击硼(B)核变成碳14和一个未知粒子,并放出7.5×105eV的能量,写出核反应方程并求出反应过程中的质量亏损。‎ 解: 42He+115B ‎146C+11H Δm=1.33×10‎‎-30kg ‎【板书设计】‎ ‎●原子核的结合能 ‎●原子核的结合能的计算 ‎★质量亏损:‎ ‎★爱因斯坦质能关系:E=mc2‎ ‎★爱因斯坦质能方程:ΔE=Δmc2‎ 注:在求核能时,若Δm单位“kg”,则ΔE=Δm×9×1016(J)‎ 若Δm单位“u”,则ΔE=Δm×931.5(Mev)‎ ‎●比结合能(平均结合能)‎ ‎【课堂反馈】‎ ‎1.为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献,联合国将2020年定为“国际物理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程E=mc2,下列说法中不正确的是( )‎ A.E=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比 B.根据ΔE=Δmc2可计算核反应的能量 C.一个质子和一个中子结合成一个氘核时释放能量,表明此过程出现了质量亏损 D.E=mc2中的E是发生核反应中释放的核能 ‎2.已知1个质子的质量mp=1.007277u,1个中子的质量mn=1.008665u.氦核的质量为4.001509u。这里u表示原子质量单位,1u=1.660 566×10-27 k,由上述数值,计算2个质子和2个中子结合成氦核时释放的能量。‎ ‎3.一静止的铀核(U)发生α衰变转变成钍核(Th).已知放出的α粒子速度为v0=2.0×‎106m/s.假设铀核发生衰变时,释放的能量全部转化为α粒子和钍核的动能.试写出铀核衰变的核反应方程产求出钍核(Th)的反冲速度.(结果保留两位有效数字)‎ 答案:1.D ‎2.28.29‎Mev或4.53×10-12J 3.23892U 23490Th+42He 3.4×‎104m/s ‎【课后测评】‎ ‎1.下列关于原子和原子核的说法正确的是( )‎ A.β衰变现象说明电子是原子核的组成部分 B.波尔理论的假设之一是原子能量的量子化 C.放射性元素的半衰期随温度的升高而变短 D.比结合能越小表示原子核中的核子结合得越牢固 ‎2.(2020全国新课标)(1)氘核和氚核可发生热核聚变而释放巨大的能量,该反应方程为:,式中x是某种粒子。已知:、、和粒子x的质量分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u;1u=931.5MeV/c2,c是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知,粒子x是__________,该反应释放出的能量为_________ MeV(结果保留3位有效数字)‎ ‎3.在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质十分特别,因此在实验中很难探测。1953年,莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统,利用中微子与水中的核反应,间接地证实了中微子的存在。‎ ‎(1)中微子与水中的发生核反应,产生中子()和正电子(),即中微子+→+可以判定,中微子的质量数和电荷数分别是 。(填写选项前的字母)‎ ‎(A)0和0 (B)0和1 (C)1和 0 (D)1和1‎ ‎(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇,与电子形成几乎静止的整体后,可以转 变为两个光子(),即 +2。‎ ‎(3)已知正电子和电子的质量都为9.1×10-31㎏,反应中产生的每个光子的能量约为 J.正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子,原因是 。‎ ‎4.已知原子核Po的质量为209.98287u,原子核Pb的质量为205.97446u,α粒子的质量为4.00260 u,静止的核Po在衰变中放出α粒子后变成核Pb,求:‎ ‎(1)衰变过程中的质量亏损;(2)衰变过程中释放的能量;(3)衰变后的瞬间,α粒子和Pb的动能之比?‎ ‎5.(1)自由中子是不稳定的,它的平均寿命大约是900s,它能自发地发生放射性衰变,衰变方程是:其中是反电子中微子(不带电的质量很小的粒子)。下列说法中正确的是( )‎ A.自由中子的衰变是β衰变,X是负电子 B.有20个自由中子,半小时后一定剩下5个中子未发生衰变 C.衰变过程遵守动量守恒定律 D.衰变过程有质量亏损,所以能量不守恒 ‎(2)电子俘获即原子核俘获1个核外轨道电子,使核内1个质子转变为中子。一个理论认为地热是镍58()在地球内部的高温高压下发生电子俘获核反应生成钴(CO)58时产生的,则镍58电子俘获核反应方程为_____________________________;生成的钴核处于激发态,会向基态跃迁,辐射Υ光子的频率为ν,已知真空中的光速和普朗克常量是c和h,则此核反应过程中的质量亏损为_____________________。‎ ‎(3)在电子俘获中,原子核俘获了K层一个电子后,新核原子的K层将出现一个电子空位,当外层L层上电子跃迁到K层填补空位时会释放一定的能量:一种情况是一辐射频率为ν0的X射线;另一种情况是将该能量交给其它层的某电子,使电子发生电离成为自由电子。该能量交给M层电子,电离后的自由电子动能是E0,已知普朗克常量为h,试求新核原子的L层电子和K层电子的能级差及M层电子的能级(即能量值)。‎ 答案:1.B 2.,17.6‎ ‎3.(1)A (2)8.1×10-14J (3)必须满足动量守恒 ‎4.(1)0.00581u (2)5.41Mev (3)103:2‎ ‎5.(1)AC (2)+0-1e 5827Co hν/c2 (3)hν0 E0-hν0‎
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