第十九章原子核§核力與結(jié)合能學(xué)案一．學(xué)習(xí)目標(biāo)1．知道核力的概念、特點及自然界存在的四種基本相互作用；2．知道穩(wěn)定原子核中質(zhì)子與中子的比例隨著原子序數(shù)的增大而減?。?．理解結(jié)合能的概念，知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損；4．知道愛因斯坦的質(zhì)能方程，理解質(zhì)量與能量的關(guān)系。二．重點難點1.重點：質(zhì)量虧損及愛因斯坦的質(zhì)能方程的理解2.難點：結(jié)合能的概念、愛因斯坦的質(zhì)能方程、質(zhì)量與能量的關(guān)系三．學(xué)法指導(dǎo)在核反應(yīng)時，可以產(chǎn)生較大一些的質(zhì)量虧損，從而使人類獲得了大得多的能量，這里的變化屬于原子核的變化，相應(yīng)的能量稱作原子核能。換句話說，即物體貯藏的能量是巨大的。迄今為止，人類所利用的能量還只是很小的一部分，如果人類在探索中能掌握新的方式，以產(chǎn)生更大的質(zhì)量虧損，也就必然能夠獲得更為可觀的能量，這對解決人類的能源危機具有重要意義。培養(yǎng)學(xué)生的理解能力、推理能力、及數(shù)學(xué)計算能力。使學(xué)生樹立起實踐是檢驗真理的標(biāo)準、科學(xué)理論對實踐有著指導(dǎo)和預(yù)見作用的能力；認識開發(fā)和利用核能對解決人類能源危機的重要意義。首先把本節(jié)課的內(nèi)容認真的看一遍，最后完成本學(xué)案。四．自主學(xué)習(xí)1．核力與四種基本相互作用20世紀初人們只知道自然界存在著兩種力：一種是力，另一種是力。在相同的距離上，這兩種力的強度差別很大。電磁力大約要比萬有引力強1036倍。核力有怎樣特點呢?（1）核力是。（2）核力是。（3）核力存在于之間，每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，這種性質(zhì)稱為核力的性。2．原子核中質(zhì)子與中子的比例隨著原子序數(shù)的增加，較輕的原子核數(shù)與數(shù)大致相等，但對于較重的原子核中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越。若質(zhì)子與中子成對地人工構(gòu)建原子核，隨原子核的增大，核子間的增大，核力和電磁力都會，但核力減小得更。所以當(dāng)原子核增大到一定程度時，相距較遠的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個原子核就不了；若只增加中子，中子與其他核子沒有庫侖斥力，但有相互的力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)定，所以穩(wěn)定的重原子核中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)。由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，若再增大原子核，一些核子間的距離會大到其間恨本沒有核力的作用，這時候再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的。因此只有200多種穩(wěn)定的原子核長久地留了下來。3．結(jié)合能由于核子間存在著強大的核力，原子核是一個堅固的集合體。要把原子核拆散成核子，需要克服核力做，或者需要巨大的能量。要把，這個能量叫做原子核的結(jié)合能.原子核越大，它的結(jié)合能越,因此之比，稱做比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能。比結(jié)合能越大,表示原子核中核子結(jié)合得越牢固,原子核越.4．質(zhì)量虧損（1）質(zhì)量虧損科學(xué)家研究證明在核反應(yīng)中原子核的總質(zhì)量并不相等，例如精確計算表明：氘核的質(zhì)量比一個中子和一個質(zhì)子的質(zhì)量之和要小一些，這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損，質(zhì)量虧損只有在中才能明顯的表現(xiàn)出來.（2）愛因斯坦質(zhì)能方程相對論指出，物體的能量（E）和質(zhì)量（m）之間存在著密切的關(guān)系，即E＝式中，c為真空中的光速。愛因斯坦質(zhì)能方程表明：物體所具有的能量跟它的成正比。由于c2這個數(shù)值十分巨大，因而物體的能量是十分可觀的。（3）核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量物體貯藏著巨大的能量是不容置疑的，但是如何使這樣巨大的能量釋放出來？從愛因斯坦質(zhì)能方程同樣可以得出，物體的能量變化△E與物體的質(zhì)量變化△m的關(guān)系：△E=.注意以下幾點：①物體的質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量，質(zhì)量虧損指的是靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量有關(guān)的運動質(zhì)量。②質(zhì)量虧損并不是這部分質(zhì)量消失或轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?，只是靜止質(zhì)量的減少。③在核反應(yīng)中仍然遵守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律;④質(zhì)量只是物體具有能量多少及能量轉(zhuǎn)變多少的一種量度。五．典型例題例1利用愛因斯坦質(zhì)能方程和能量守恒定律來看核反應(yīng)過程中的質(zhì)量守恒。解析：設(shè)原子核A和粒子B發(fā)生核反應(yīng)，生成C、D，各粒子的靜止質(zhì)量和動能分別為mi和Eki(i=1、2、3、4)Ａ＋Ｂ→Ｃ＋Ｄ靜質(zhì)量m1m動能Ek1Ek2Ek3EK4根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程各粒子所蘊含的除動能之外的能量為mic2,那么各粒子總能量Ｅi＝mic2＋Ｅki由能量守恒，反應(yīng)前總能量等于反應(yīng)后總能量。即（m1c2+Ek1）+(m2c2+Ek2)=(m3c2+Ek3)+(m4c將上式兩邊除c2：（m1+）＋（m2+）＝（m3+）＋(m4+)（※）由上式于是引出mi1=mi+，mi1是總質(zhì)量，包括兩部分mi和，其中是因運動才具有，故稱為動質(zhì)量，那么總質(zhì)量=靜質(zhì)量+動質(zhì)量，（※）式可寫成：m11+m21=m31+m41上式可見核反應(yīng)前后質(zhì)量不變是指各粒子的總質(zhì)量守恒，即各粒子的靜質(zhì)量和動質(zhì)量之和不變，它是由自然界普遍規(guī)律能量守恒定律推出。例2以兩個氘核聚變?yōu)槔f明：原子核反應(yīng)中的質(zhì)量守恒與計算核能時所談的質(zhì)量虧損并不矛盾，解析：兩個氘核聚變，生成32He和一個中子1on，放出Mev能量，這個能量以γ光子的形式輻射出去，其核反應(yīng)方程是：21H+21H→32He+1on。其中氘核質(zhì)量mH=，氦核質(zhì)量mHe=,中子的質(zhì)量mn=，γ光子的動質(zhì)量m1n==u=(1uc2=21H+21H—→32He+1on+γMev)反應(yīng)前總質(zhì)量：+=反應(yīng)后總質(zhì)量：++=由此可見反應(yīng)前后總質(zhì)量（即動質(zhì)量與靜質(zhì)量之和）不變。若不考慮動質(zhì)量，γ光子的質(zhì)量為0，則反應(yīng)前后靜質(zhì)量虧損：△m=2×+=但要注意靜質(zhì)量減少的不是轉(zhuǎn)化為Mev的能量，而是的物質(zhì)存在形式發(fā)生變化，以光子形式存在。因此質(zhì)量虧損并不是質(zhì)量減少了，而是一部分靜質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了動質(zhì)量，正是這種轉(zhuǎn)化，核反應(yīng)仍然遵循質(zhì)量守恒。六．課堂練習(xí)1．組成原子核的核子之間有很強的___________，使核子能夠克服庫侖斥力而緊密地結(jié)合在一起，這種力稱為___________，它是一種強相互作用力。2．核子結(jié)合在一起時放出的能量或原子核分解成核子時吸收的能量稱為原子核的____________，它與核子數(shù)的比值叫________________。在結(jié)合或分解過程中，反應(yīng)物與生成物的質(zhì)量之差叫______________。3．一個鈾235衰變?yōu)殁Q核時釋放出一個α粒子，已知鈾核的質(zhì)量為×10-25kg，釷核的質(zhì)量為×10-25kg，α粒子的質(zhì)量為×10-27kg，則在該衰變過程中釋放出的能量為4．下列四個核反應(yīng)中，X表示中子的是()A．N＋He→O＋XB．Al＋He→P＋XC．H＋H→He＋XD．U＋X→Xe＋Sr＋10n5．對質(zhì)能方程，下列說法正確的是()A．能量可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量B．質(zhì)量可轉(zhuǎn)化為能量C．能量的轉(zhuǎn)化與質(zhì)量的轉(zhuǎn)化是成比例的D．在核反應(yīng)中能量與質(zhì)量都不守恒6．靜止的鐳核Ra發(fā)生α衰變，釋放出的α粒子的動能為E，設(shè)衰變過程中釋放的能量全部以動能的形式釋放，則衰變過程中的質(zhì)量虧損為()A．B．C．D．7、已知1個質(zhì)子的質(zhì)量mp=277u，1個中子的質(zhì)量mn=665u.氦核的質(zhì)量為509u.這里u表示原子質(zhì)量單位，1u=566×10-27kg.由上述數(shù)值，計算2個質(zhì)子和28．1993年，中國科學(xué)院上海原子核研究所制得一種新的鉑元素的同位素鉑202（Pt），制取過程如下：（1）用質(zhì)子轟擊鈹9（Be）產(chǎn)生快中子；（2）用快中子轟擊汞204（Hg），反應(yīng)過程中可能有兩種：①生成鉑202，并放出α粒子；②生成鉑202，并放出質(zhì)子、中子。（3）生成的鉑202發(fā)生兩次衰變，變成穩(wěn)