高中物理 第4章 核能 第1节 核力与核能知识导航素材 鲁科版选修3-5（通用）

高中物理 第4章 核能 第1节 核力与核能知识导航素材 鲁科版选修3-5（通用）

第1节 核力与核能 ‎ 思维激活 原子核很小，结构却十分复杂，除氢核外，其他各元素的原子核中既有带正电的质子，又有不带电的中子，质子间的静电斥力没有把它们驱散开，中子不带电，同样能聚集在一起；为什么能形成稳定的结构？‎ 提示：组成原子核的相邻核子之间存在着一种特殊的力——核力.核力有着完全不同于万有引力和静电力的一些性质：‎ ‎(1)核力是强相互作用(强力)的一种表现.在它的作用范围内，核力比库仑力大得多.‎ ‎(2)核力是短程力，作用范围在1.5×10‎-15 m之内.核力在大于0.8×10‎-15 m时表现为吸引力，且随距离增大而减小，超过1.5×10‎-15 m，核力急剧下降几乎消失；而在距离小于0.8×10‎-15 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起.‎ ‎(3)每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性.‎ 自主整理 ‎1.核力：原子内部核子间所特有的相互作用力，是一种________.作用距离在________以内，超过这个距离，核力________，它既不是电磁力，也不是万有引力.‎ 核力与电荷无关，原子核内相邻质子间、中子间、质子和中子间均存在核力，且是相同的.‎ ‎2.质量亏损：组成原子核的核子总质量与原子核的质量之差叫________.‎ ‎3.质能方程 ‎(1)方程：________，m是物体的质量，c是真空中的光速.‎ ‎(2)物理意义：物体的质量和________间有一定联系，即物体具有的能量与其质量成正比，当物体的能量增加或减小ΔE，它的质量也会相应地增加或减少Δm，ΔE与Δm的关系是________.‎ 高手笔记 不同的核反应都可以放出能量 原因是它们在发生核反应时都有质量亏损.‎ 精确的研究表明，原子核的质量虽然随着原子序数Z的增大而增大，但是二者之间并不成正比关系.人们发现，不同的原子核，其核子的平均质量(原子核的质量除以核子数)与原子序数有如图‎4-1-1‎所示的关系.‎ 图‎4-1-1‎ 中等质量的原子核的核子的平均质量较小，重核和轻核的核子平均质量较大.‎ 从图中可以看出，铁原子核中核子的平均质量最小.如果原子序数较大的重核A分裂成原子序数小一些的核B和C，或者原子序数很小的轻核D、E结合成一个原子序数大些的F核，都会有质量亏损，都会放出巨大的核能.核物理中把重核分裂成质量较小的核而释放出核能的反应，称为裂变；把轻核结合成质量较大的核而释放出核能的反应，称为聚变.‎ 名师解惑 什么是比结合能？‎ 剖析：‎ 原子核的质量小于组成它的质子和中子质量之和，两者之差称为原子核的质量亏损，用Δm表示.如果质量数为A的原子核质量为ma，组成它的质子质量为ZmP，中子质量为(A-Z)mn，则质量亏损可以表示为 Δm=ZmP+(A-Z)mn-mA 根据相对论的质能关系E=mc2，当系统质量改变时，一定也有相应的能量改变，关系为 ΔE=(Δm)c2‎ 因此质子、中子组成原子核时放出能量，这能量为原子核的结合能，用EB来表示.反之要使原子核分解为单个的质子和中子就必须给予和结合能等值的能量.例如氘的结合能为2.23 MeV，当用能量为2.23‎ ‎ MeV的γ射线光子去轰击氘就能将它分解为自由的质子和中子(如图‎4-1-2‎所示).‎ 图‎4-1-2‎ 氘核分解为质子和中子 原子核的结合能EB与质量数A之比，称为该原子核的平均结合能，又称比结合能ε，即 ε=‎ 核子的比结合能愈大，原子核就愈稳定.图‎4-1-3‎画出了比结合能对核子数(质量数A)的曲线图.‎ 由图中可以看出，最轻核和最重核比结合能较小，对于大多数中等质量的核，比结合能近似地相等，都在8 MeV左右，中等质量的核最为稳定.因此当重核裂变成为中等质量的核，或轻核聚变为质量较大的核时，都将释放出巨大的核能.‎ 图‎4-1-3‎ 比结合能曲线 原子弹是利用重核裂变原理研制出来的核武器，图‎4-1-4‎是长约‎3 m的“LittleBoy”型原子弹的照片.‎ 图‎4-1-4‎ 讲练互动 ‎【例题】用质子轰击锂核，生成了2个α粒子.已知：质子的初动能是E1=0.6‎ ‎ MeV，质子、α粒子和锂核的质量分别是mP=1.007 3 u，mα=4.001 5 u，mLi=7.016 0 u，试回答下列问题：‎ ‎(1)写出这个核反应方程；‎ ‎(2)核反应前后的质量亏损Δm；‎ ‎(3)核反应中释放出的能量ΔE；‎ ‎(4)核反应释放出的能量全部增加为两个α粒子的动能，则核反应后两个α粒子具有的总动能E.‎ 解析：(1)核反应方程为+→2.‎ ‎(2)Δm=mLi+mP-2mα=(7.016 0+1.007 3+2×4.001 5) u=0.020 3 u.‎ ‎(3)ΔE=Δmc2=0.020 3×931.5 MeV=18.9 MeV.‎ ‎(4)E=E1+ΔE=(0.6+18.9) MeV=19.5 MeV.‎ 答案：‎ ‎(1)+→2 (2)0.020 3 u ‎(3)18.9 MeV (4)19.5 MeV 绿色通道 也可以直接用1 u=931.5 MeV计算质量亏损或能量.‎ 变式训练 一个铍核俘获一个α粒子后放出中子，生成碳核，已知它们的质量分别为：mBe=9.012 18 u，mHe=4.002 60 u，mC=12.000 0 u，mn=1.008 665 u，1 u=1.66×10‎-27 kg.‎ ‎(1)写出核反应方程，算出反应过程中释放的能量；‎ ‎(2)若有‎3 kg铍和‎1 kg氦参加反应，哪种元素将有剩余？剩余多少？‎ 解析：核反应方程应遵循质量数守恒和电荷数守恒.根据反应中的质量亏损由质能方程可算出释放的能量；根据核反应中铍核与氮核的质量比，即可判知所剩余的元素.‎ ‎(1)根据核反应中质量数守恒和核电荷数守恒得核反应式：‎ ‎+→++ΔE 式中ΔE就是反应中释放的能量.‎ 因核反应过程中的质量亏损为：‎ Δm=(mBe+mHe)-(mc+mn)=(9.012 18+4.002 60-12.000 0-1.008 665) u=0.006 11 u.‎ 根据爱因斯坦质能方程得释放的能量为：‎ ΔE=Δmc2=0.006 11×1.66×10-27×(3×108)2 J=9.13×10-13 J=5.7×106 eV=5.7 MeV.‎ ‎(2)由核反应式知，参与反应的铍核质量与氦核质量之比为9∶4，因此当‎3 kg铍和‎1 kg氦发生反应时，氦将完全发生反应，而铍还有部分剩余.设参加反应的铍的质量为mx，则由反应条件知9∶4=mx∶1得mx=9/‎4 kg=‎2.25 kg.剩余的铍的质量为mBe=‎3 kg-2.25 kg=‎0.75 kg.‎ 答案：(1) +→++ΔE 5.7 MeV ‎(2)铍元素 ‎‎0.75 kg 体验探究 ‎【问题】怎样从原子核中获取能量而且加以应用？‎ 导思：要将核子从原子核中分离，需要外力克服核力做功；核子结合在一起时，会释放能量.‎ 探究：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.根据爱因斯坦质能方程可知，核子结合成原子核时将有ΔE=Δmc2的能量放出.根据平均结合能曲线可以推出：重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能要小，容易裂变成中等质量的核而放出能量.轻核的平均结合能比稍重的核的平均结合能要小，如果它们聚合成较重的核，也要释放能量.‎