2018-2019學年高中物理 第三章 原子核 3.4 原子核的結合能課件 教科版選修3-5.ppt

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1、4 原子核的結合能,一、原子核的結合能概念和結合能的計算 1.結合能概念:由___________結合成原子核的過程 中所釋放出的能量。 2.質(zhì)量虧損:原子核的_______都小于構成它的所有核 子單獨存在時的_________,二者之差稱為質(zhì)量虧損。,分散的核子,靜質(zhì)量,總靜質(zhì)量,3.愛因斯坦的質(zhì)能方程:物體的能量和質(zhì)量之間存在 著密切的確定聯(lián)系,即_____。物體質(zhì)量發(fā)生變化時, 它的能量也按照這一關系式發(fā)生相應的變化,即 _________。,E=mc2,ΔE=Δmc2,【想一想】有人認為質(zhì)量虧損就是核子的個數(shù)變少了,這種認識對不對? 提示:不對。在核反應中質(zhì)量數(shù)守恒即核子的個數(shù)不變,只

2、是核子組成原子核時,仿佛變“輕”了一些,原子核的質(zhì)量總是小于其全部核子質(zhì)量之和,即發(fā)生了質(zhì)量虧損,核子的個數(shù)并沒有變化。,二、比結合能曲線 1.從比結合能曲線可以看出: (1)比結合能越大,核就越_____。_________是原子 核穩(wěn)定程度的量度。 (2)曲線中間高兩頭低,說明中等質(zhì)量的原子核比 結合能最大,_____________最穩(wěn)定。,穩(wěn)定,比結合能,中等質(zhì)量的核,(3)質(zhì)量較大的_____和質(zhì)量較小的_____比結合能都 較小。 2.核聚變:兩個輕核結合成較重的___________釋放 出能量的過程叫核聚變。 3.核裂變:一個重核_____為兩個(或多個)中等質(zhì)量 的核時釋放出

3、_____的過程叫核裂變。,重核,輕核,單個原子核,分裂,核能,【判一判】 (1)比結合能越大,原子核中核子結合得越牢 固。 ( ) (2)比結合能也叫平均結合能。 ( ) (3)輕核聚變釋放能量,重核裂變吸收能量。( ),提示:(1)比結合能越大,要把原子核中的核子拆散開,需要克服核力做的功越多,核子結合得越牢固,(1)正確。 (2)比結合能也叫平均結合能,是一個概念的兩種叫法,(2)正確。 (3)重核裂變也釋放能量,(3)錯。,知識點一、原子核的結合能、比結合能 思考探究:,如圖所示,氘核吸收2.23MeV的能量就可以把原子核中的核子拆散為分散的質(zhì)子和中子,那么: 如果把分散的核子結合成原

4、子核會不會釋放出能量呢?如果會,所釋放的能量又有多少呢?,【歸納總結】 1.原子核的結合能: 組成原子核的核子間存在著強大的核力,核力使原子核成為一個堅固的集合體。如果將原子核中的核子拆散為分散的質(zhì)子和中子,就得克服核力而做巨大的功。若要把分散的核子結合成一個原子核,就會放出巨大的能量。由分散的核子結合成原子核的過程中所釋放出的能量稱為原子核的結合能。,2.比結合能: 原子核越大,它的結合能越高,因此有意義的是它的結合能與核子數(shù)之比,稱作比結合能。比結合能越大,表示原子核中核子結合得越牢固,原子核越穩(wěn)定。,【特別提醒】 中等大小的原子核的比結合能最大,這些核最穩(wěn)定。使較重的核分裂成中等大小的核

5、,或者把較小的核合并成中等大小的核,核子的比結合能都會增加,都要釋放能量。,【典例】下面關于結合能和比結合能的說法中,正確的有 ( ) A.核子結合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量稱為結合能 B.比結合能越大的原子核越穩(wěn)定,因此它的結合能也一定越大,C.重核與中等質(zhì)量原子核相比較,重核的結合能和比結合能都大 D.中等質(zhì)量原子核的結合能和比結合能均比輕核的要大,【思路點撥】解答此類問題時應掌握以下兩點: (1)要正確理解結合能和比結合能兩個概念,比結合能和核子數(shù)的乘積就是結合能。 (2)中等質(zhì)量原子核的比結合能大于重核、輕核的比結合能,但結合能的大小由比結合能與原子核內(nèi)核子數(shù)的乘積

6、來決定。,【正確解答】選D。核子結合成原子核放出能量,原子核拆解成核子吸收能量,A選項錯;比結合能越大的原子核越穩(wěn)定,但比結合能越大的原子核,其結合能不一定大,例如,中等質(zhì)量原子核的比結合能比重核大,但由于核子數(shù)比重核少,其結合能比重核反而小,B、C選項錯;中等質(zhì)量原子核的比結合能比輕核的大,原子核內(nèi)核子數(shù)又比輕核多,因此它的結合能也比輕核大,D選項正確。,【過關訓練】 對結合能、比結合能的認識,下列說法正確的 是 ( ) A.一切原子核均具有結合能 B.自由核子結合為原子核時,可能吸收能量 C.結合能越大的原子核越穩(wěn)定 D.比結合能越大的原子核越穩(wěn)定,【解析】選D。氫原子核只有一個質(zhì)子,無結

7、合能,結合能并不是原子核所具有的能量,故A錯;自由核子結合為原子核時,放出能量,故B錯;比結合能越大的原子核越穩(wěn)定,故C錯,D正確。,【補償訓練】 如圖是比結合能曲線,根據(jù)比結合能曲線思考下面的問題:,兩個氘核發(fā)生如下的核反應: 在反應的過程中是放出能量還是吸收能量?為什么?,【解析】由比結合能曲線可知2個 的比結合能為 2MeV,而一個 的比結合能為7.0MeV,即2個 結合成一個 時能夠放出5MeV的能量.,知識點二、原子核結合能的計算 思考探究: 根據(jù)愛因斯坦提出的質(zhì)能關系式,可知物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的確定關系,請思考下列問題: (1)什么是質(zhì)量虧損現(xiàn)象? (2)在核反應中如

8、何利用質(zhì)能關系式研究能量和質(zhì)量的關系呢?,【歸納總結】 1.質(zhì)能方程E=mc2: 愛因斯坦指出,物體的能量(E)和質(zhì)量(m)之間存在著密切的關系,即E=mc2,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質(zhì)量成正比。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。,2.質(zhì)量虧損: 實驗表明,原子核的靜質(zhì)量都小于構成它的所有核子單獨存在時的總靜質(zhì)量。通常把核反應中的質(zhì)量減少稱為質(zhì)量虧損。 3.核反應中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量ΔE=Δmc2: 從愛因斯坦質(zhì)能方程同樣可以得出,物體的能量變化ΔE與物體的質(zhì)量變化Δm的關系:ΔE=Δmc2。,【特別提醒】 (1)物體的質(zhì)量包

9、括靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量,質(zhì)量虧損并不是這部分質(zhì)量消失或轉變?yōu)槟芰?只是靜止質(zhì)量的減少。減少的靜止質(zhì)量轉化為和輻射能量有關的運動質(zhì)量,在核反應中仍然遵守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律。 (2)質(zhì)量虧損也不是核子個數(shù)的減少,核反應中核子個數(shù)是不變的。,【典例探究】 【典例】一個鋰核( )受到一個質(zhì)子的轟擊,變成兩 個α粒子。已知質(zhì)子的質(zhì)量是1.673 610-27kg,鋰核 的質(zhì)量是11.650 510-27kg,氦核的質(zhì)量是6.646 6 10-27kg。 (1)寫出上述核反應的方程。 (2)計算上述核反應釋放出的能量。(保留3位有效數(shù)字),【思路點撥】解答本題時應把握以下三點: (1)寫核反應方程時

10、,要注意元素符號和兩個守恒。 (2)用反應物的質(zhì)量減去生成物的質(zhì)量等于質(zhì)量虧損。 (3)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE=Δmc2計算釋放的核能。,【正確解答】(1) (2)核反應的質(zhì)量虧損 Δm=mLi+mp-2mα =(11.650 510-27+1.673 610-27-26.646 6 10-27)kg=3.0910-29kg。 釋放的能量 ΔE=Δmc2=3.0910-29(3108)2J=2.7810-12J,答案:(1) (2)2.7810-12J,【總結提升】應用質(zhì)能方程時應注意的三個問題 (1)要明確題目中已知量的單位,只有Δm和c取國際單位,得到的E才是國際單位。 (2)計算質(zhì)量虧

11、損Δm時,正確書寫核反應方程是關鍵,特別是某個核子或原子核前系數(shù)不是“1”的情況。 (3)此類題目運算量比較大,一定要細心演算,有時需要保留幾位有效數(shù)字。,【過關訓練】 1.(多選)(2016全國卷Ⅲ)一靜止的鋁原子核 俘獲一速度為1.0107m/s的質(zhì)子p后,變?yōu)樘幱诩ぐl(fā) 態(tài)的硅原子核 Si*,下列說法正確的是 ( ),A.核反應方程為p+ → Si* B.核反應過程中系統(tǒng)動量守恒 C.核反應過程中系統(tǒng)能量不守恒 D.核反應前后核子數(shù)相等,所以生成物的質(zhì)量等于反應物的質(zhì)量之和 E.硅原子核速度的數(shù)量級為105m/s,方向與質(zhì)子初速度方向一致,【解析】選A、B、E。根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得

12、核反應方程p+ → Si*,A正確;核反應過程中的核 力遠遠大于外力,故系統(tǒng)動量守恒,B正確;核反應過程 中系統(tǒng)能量守恒,C錯誤;由于反應過程中,要釋放大量 的能量,即伴隨著質(zhì)量虧損,所以生成物的質(zhì)量小于反 應物的質(zhì)量之和,D錯誤;由動量守恒可知mv=28mv′, 解得v′= 107m/s,故數(shù)量級為105m/s,E正確。,2.(2015江蘇高考)取質(zhì)子的質(zhì)量mp=1.672 6 10-27kg,中子的質(zhì)量mn=1.674 910-27kg,α粒子的質(zhì)量mα=6.646 710-27kg,光速c=3.0108m/s。請計算α粒子的結合能。(計算結果保留兩位有效數(shù)字),【解析】α粒子由兩個質(zhì)子和

13、兩個中子組成,根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE=Δmc2,可求:ΔE=(2mp+2mn-mα)c2 =4.310-12J。 答案:4.310-12J,【溫馨提示】 質(zhì)能方程說明,一定質(zhì)量的物體所具有的總能量是一定的,等于光速的平方與其質(zhì)量之積。這里所說的總能量,不是單指物體的動能、核能或其他哪一種能量,而是物體所具有的各種能量的總和。因此,核反應問題往往和能量守恒定律結合起來考查。,【拓展例題】考查內(nèi)容:能量守恒定律在核反應中的應用 中子n、質(zhì)子p、氘核D的質(zhì)量分別為mn、mp、mD,現(xiàn)用能量為E的γ射線照射靜止氘核使之分解,反應的方程為:γ+D=p+n.若分解后中子、質(zhì)子的動能可視為相等,則中子的動

14、能是____________.,【思路點撥】能量E一部分被氘核吸收,另一部分轉化為中子、質(zhì)子的動能.,【正確解答】已知質(zhì)子和中子結合成氘核時,會放出能量ΔE=(mp+mn-mD)c2,反過來,將氘核分解成中子和質(zhì)子需吸收同樣多的能量ΔE.在光子的照射下,光子的能量中,有一部分(等于ΔE)會被氘核吸收用于分解,剩下的能量才轉變成中子和質(zhì)子的動能2Ek,因此有2Ek=E-(mp+mn-mD)c2,然后便可求出中子的動能Ek. 答案: [(mD-mp-mn)c2+E],核反應中核能計算的基本方法 (1)根據(jù)質(zhì)量虧損計算,步驟如下: ①根據(jù)核反應方程,計算核反應前后的質(zhì)量虧損Δm; ②根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能

15、方程ΔE=Δmc2計算。 計算過程中Δm的單位是kg,c的單位是m/s,ΔE的單位是J。,(2)利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特計算 ①明確原子質(zhì)量單位u和電子伏特間的關系 1u=1.660510-27kg,1eV=1.610-19J。 由ΔE=Δmc2,得 ΔE=,②根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當于931.5MeV能量,用核子結合成原子核時質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘931.5MeV,即ΔE=Δm931.5MeV.Δm的單位是u,ΔE的單位是MeV。,(3)根據(jù)能量守恒和動量守恒來計算核能 參與核反應的粒子所組成的系統(tǒng),在核反應過程中的動量和能量是守恒的。因此,在題設條件中如果沒有涉及質(zhì)量虧損,或者

16、核反應所釋放的核能全部轉化為生成的新粒子的動能而無光子輻射的情況下,利用動量和能量守恒可以計算出核能的變化。,【案例展示】 H的質(zhì)量是3.016 050u,質(zhì)子的質(zhì)量是1.007 277u,中子的質(zhì)量是1.008665u。則: (1)一個質(zhì)子和兩個中子結合為氚核時,是吸收還是放出能量?該能量為多少? (2)氚核的結合能和比結合能各是多少?,【正確解答】(1)一個質(zhì)子和兩個中子結合成氚核的 核反應方程式是 H+ n→ H,反應前各核子總質(zhì)量為 mp+2mn=1.007277u+21.008 665u =3.024 607u,反應后新核的質(zhì)量為mH=3.016050u 質(zhì)量虧損為Δm=3.024 607u-3.016 050u =0.008 557u 因反應前的總質(zhì)量大于反應后的總質(zhì)量,故此核反應為放出能量的反應。 釋放的核能為ΔE=0.008 557931.5MeV =7.97MeV,(2)氚核的結合能即為ΔE=7.97MeV 它的比結合能為 =2.66MeV 答案:(1)放出能量7.97MeV (2)7.97MeV 2.66MeV,【易錯分析】本題易錯角度及錯誤原因分析如下:,