2018-2019學(xué)年高中物理 第三章 原子核 3.4 原子核的結(jié)合能課件 教科版選修3-5.ppt

4 原子核的結(jié)合能,一、原子核的結(jié)合能概念和結(jié)合能的計(jì)算 1.結(jié)合能概念:由_結(jié)合成原子核的過(guò)程 中所釋放出的能量。 2.質(zhì)量虧損:原子核的_都小于構(gòu)成它的所有核 子單獨(dú)存在時(shí)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(ài)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(shí), 它的能量也按照這一關(guān)系式發(fā)生相應(yīng)的變化,即 _。,E=mc2,E=mc2,【想一想】有人認(rèn)為質(zhì)量虧損就是核子的個(gè)數(shù)變少了,這種認(rèn)識(shí)對(duì)不對(duì)? 提示:不對(duì)。在核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒即核子的個(gè)數(shù)不變,只是核子組成原子核時(shí),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(gè)數(shù)并沒(méi)有變化。,二、比結(jié)合能曲線 1.從比結(jié)合能曲線可以看出: (1)比結(jié)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(shuō)明中等質(zhì)量的原子核比 結(jié)合能最大,_最穩(wěn)定。,穩(wěn)定,比結(jié)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(jié)合能都 較小。 2.核聚變:兩個(gè)輕核結(jié)合成較重的_釋放 出能量的過(guò)程叫核聚變。 3.核裂變:一個(gè)重核_為兩個(gè)(或多個(gè))中等質(zhì)量 的核時(shí)釋放出_的過(guò)程叫核裂變。,重核,輕核,單個(gè)原子核,分裂,核能,【判一判】 (1)比結(jié)合能越大,原子核中核子結(jié)合得越牢 固。 ( ) (2)比結(jié)合能也叫平均結(jié)合能。 ( ) (3)輕核聚變釋放能量,重核裂變吸收能量。( ),提示:(1)比結(jié)合能越大,要把原子核中的核子拆散開(kāi),需要克服核力做的功越多,核子結(jié)合得越牢固,(1)正確。 (2)比結(jié)合能也叫平均結(jié)合能,是一個(gè)概念的兩種叫法,(2)正確。 (3)重核裂變也釋放能量,(3)錯(cuò)。,知識(shí)點(diǎn)一、原子核的結(jié)合能、比結(jié)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(jié)合成原子核會(huì)不會(huì)釋放出能量呢?如果會(huì),所釋放的能量又有多少呢?,【歸納總結(jié)】 1.原子核的結(jié)合能: 組成原子核的核子間存在著強(qiáng)大的核力,核力使原子核成為一個(gè)堅(jiān)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(jié)合成一個(gè)原子核,就會(huì)放出巨大的能量。由分散的核子結(jié)合成原子核的過(guò)程中所釋放出的能量稱為原子核的結(jié)合能。,2.比結(jié)合能: 原子核越大,它的結(jié)合能越高,因此有意義的是它的結(jié)合能與核子數(shù)之比,稱作比結(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,原子核越穩(wěn)定。,【特別提醒】 中等大小的原子核的比結(jié)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,或者把較小的核合并成中等大小的核,核子的比結(jié)合能都會(huì)增加,都要釋放能量。,【典例】下面關(guān)于結(jié)合能和比結(jié)合能的說(shuō)法中,正確的有 ( ) A.核子結(jié)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(jié)合能 B.比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,因此它的結(jié)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(jié)合能和比結(jié)合能都大 D.中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能均比輕核的要大,【思路點(diǎn)撥】解答此類問(wèn)題時(shí)應(yīng)掌握以下兩點(diǎn): (1)要正確理解結(jié)合能和比結(jié)合能兩個(gè)概念,比結(jié)合能和核子數(shù)的乘積就是結(jié)合能。 (2)中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能大于重核、輕核的比結(jié)合能,但結(jié)合能的大小由比結(jié)合能與原子核內(nèi)核子數(shù)的乘積來(lái)決定。,【正確解答】選D。核子結(jié)合成原子核放出能量,原子核拆解成核子吸收能量,A選項(xiàng)錯(cuò);比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,但比結(jié)合能越大的原子核,其結(jié)合能不一定大,例如,中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比重核大,但由于核子數(shù)比重核少,其結(jié)合能比重核反而小,B、C選項(xiàng)錯(cuò);中等質(zhì)量原子核的比結(jié)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(jié)合能也比輕核大,D選項(xiàng)正確。,【過(guò)關(guān)訓(xùn)練】 對(duì)結(jié)合能、比結(jié)合能的認(rèn)識(shí),下列說(shuō)法正確的 是 ( ) A.一切原子核均具有結(jié)合能 B.自由核子結(jié)合為原子核時(shí),可能吸收能量 C.結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定 D.比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,【解析】選D。氫原子核只有一個(gè)質(zhì)子,無(wú)結(jié)合能,結(jié)合能并不是原子核所具有的能量,故A錯(cuò);自由核子結(jié)合為原子核時(shí),放出能量,故B錯(cuò);比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,故C錯(cuò),D正確。,【補(bǔ)償訓(xùn)練】 如圖是比結(jié)合能曲線,根據(jù)比結(jié)合能曲線思考下面的問(wèn)題:,兩個(gè)氘核發(fā)生如下的核反應(yīng): 在反應(yīng)的過(guò)程中是放出能量還是吸收能量?為什么?,【解析】由比結(jié)合能曲線可知2個(gè) 的比結(jié)合能為 2MeV,而一個(gè) 的比結(jié)合能為7.0MeV,即2個(gè) 結(jié)合成一個(gè) 時(shí)能夠放出5MeV的能量.,知識(shí)點(diǎn)二、原子核結(jié)合能的計(jì)算 思考探究: 根據(jù)愛(ài)因斯坦提出的質(zhì)能關(guān)系式,可知物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的確定關(guān)系,請(qǐng)思考下列問(wèn)題: (1)什么是質(zhì)量虧損現(xiàn)象? (2)在核反應(yīng)中如何利用質(zhì)能關(guān)系式研究能量和質(zhì)量的關(guān)系呢?,【歸納總結(jié)】 1.質(zhì)能方程E=mc2: 愛(ài)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(guān)系,即E=mc2,式中c為真空中的光速。愛(ài)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(gè)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(shí)驗(yàn)表明,原子核的靜質(zhì)量都小于構(gòu)成它的所有核子單獨(dú)存在時(shí)的總靜質(zhì)量。通常把核反應(yīng)中的質(zhì)量減少稱為質(zhì)量虧損。 3.核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量E=mc2: 從愛(ài)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=mc2。,【特別提醒】 (1)物體的質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量,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。減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量有關(guān)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量,在核反應(yīng)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(gè)數(shù)的減少,核反應(yīng)中核子個(gè)數(shù)是不變的。,【典例探究】 【典例】一個(gè)鋰核( )受到一個(gè)質(zhì)子的轟擊,變成兩 個(gè)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(yīng)的方程。 (2)計(jì)算上述核反應(yīng)釋放出的能量。(保留3位有效數(shù)字),【思路點(diǎn)撥】解答本題時(shí)應(yīng)把握以下三點(diǎn): (1)寫核反應(yīng)方程時(shí),要注意元素符號(hào)和兩個(gè)守恒。 (2)用反應(yīng)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(ài)因斯坦質(zhì)能方程E=mc2計(jì)算釋放的核能。,【正確解答】(1) (2)核反應(yīng)的質(zhì)量虧損 m=mLi+mp-2m =(11.650 510-27+1.673 610-27-26.646 6 10-27)kg=3.0910-29kg。 釋放的能量 E=mc2=3.0910-29(3108)2J=2.7810-12J,答案:(1) (2)2.7810-12J,【總結(jié)提升】應(yīng)用質(zhì)能方程時(shí)應(yīng)注意的三個(gè)問(wèn)題 (1)要明確題目中已知量的單位,只有m和c取國(guó)際單位,得到的E才是國(guó)際單位。 (2)計(jì)算質(zhì)量虧損m時(shí),正確書寫核反應(yīng)方程是關(guān)鍵,特別是某個(gè)核子或原子核前系數(shù)不是“1”的情況。 (3)此類題目運(yùn)算量比較大,一定要細(xì)心演算,有時(shí)需要保留幾位有效數(shù)字。,【過(guò)關(guān)訓(xùn)練】 1.(多選)(2016全國(guó)卷)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(shuō)法正確的是 ( ),A.核反應(yīng)方程為p+ Si* B.核反應(yīng)過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)量守恒 C.核反應(yīng)過(guò)程中系統(tǒng)能量不守恒 D.核反應(yīng)前后核子數(shù)相等,所以生成物的質(zhì)量等于反應(yīng)物的質(zhì)量之和 E.硅原子核速度的數(shù)量級(jí)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 核反應(yīng)方程p+ Si*,A正確;核反應(yīng)過(guò)程中的核 力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外力,故系統(tǒng)動(dòng)量守恒,B正確;核反應(yīng)過(guò)程 中系統(tǒng)能量守恒,C錯(cuò)誤;由于反應(yīng)過(guò)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(yīng)物的質(zhì)量之和,D錯(cuò)誤;由動(dòng)量守恒可知mv=28mv, 解得v= 107m/s,故數(shù)量級(jí)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,粒子的質(zhì)量m=6.646 710-27kg,光速c=3.0108m/s。請(qǐng)計(jì)算粒子的結(jié)合能。(計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字),【解析】粒子由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成,根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程E=mc2,可求:E=(2mp+2mn-m)c2 =4.310-12J。 答案:4.310-12J,【溫馨提示】 質(zhì)能方程說(shuō)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(shuō)的總能量,不是單指物體的動(dòng)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(yīng)問(wèn)題往往和能量守恒定律結(jié)合起來(lái)考查。,【拓展例題】考查內(nèi)容:能量守恒定律在核反應(yīng)中的應(yīng)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的射線照射靜止氘核使之分解,反應(yīng)的方程為:+D=p+n.若分解后中子、質(zhì)子的動(dòng)能可視為相等,則中子的動(dòng)能是_.,【思路點(diǎn)撥】能量E一部分被氘核吸收,另一部分轉(zhuǎn)化為中子、質(zhì)子的動(dòng)能.,【正確解答】已知質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核時(shí),會(huì)放出能量E=(mp+mn-mD)c2,反過(guò)來(lái),將氘核分解成中子和質(zhì)子需吸收同樣多的能量E.在光子的照射下,光子的能量中,有一部分(等于E)會(huì)被氘核吸收用于分解,剩下的能量才轉(zhuǎn)變成中子和質(zhì)子的動(dòng)能2Ek,因此有2Ek=E-(mp+mn-mD)c2,然后便可求出中子的動(dòng)能Ek. 答案: (mD-mp-mn)c2+E,核反應(yīng)中核能計(jì)算的基本方法 (1)根據(jù)質(zhì)量虧損計(jì)算,步驟如下: 根據(jù)核反應(yīng)方程,計(jì)算核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損m; 根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程E=mc2計(jì)算。 計(jì)算過(guò)程中m的單位是kg,c的單位是m/s,E的單位是J。,(2)利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特計(jì)算 明確原子質(zhì)量單位u和電子伏特間的關(guān)系 1u=1.660510-27kg,1eV=1.610-19J。 由E=mc2,得 E=,根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5MeV能量,用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘931.5MeV,即E=m931.5MeV.m的單位是u,E的單位是MeV。,(3)根據(jù)能量守恒和動(dòng)量守恒來(lái)計(jì)算核能 參與核反應(yīng)的粒子所組成的系統(tǒng),在核反應(yīng)過(guò)程中的動(dòng)量和能量是守恒的。因此,在題設(shè)條件中如果沒(méi)有涉及質(zhì)量虧損,或者核反應(yīng)所釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為生成的新粒子的動(dòng)能而無(wú)光子輻射的情況下,利用動(dòng)量和能量守恒可以計(jì)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(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合為氚核時(shí),是吸收還是放出能量?該能量為多少? (2)氚核的結(jié)合能和比結(jié)合能各是多少?,【正確解答】(1)一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合成氚核的 核反應(yīng)方程式是 H+ n H,反應(yīng)前各核子總質(zhì)量為 mp+2mn=1.007277u+21.008 665u =3.024 607u,反應(yīng)后新核的質(zhì)量為mH=3.016050u 質(zhì)量虧損為m=3.024 607u-3.016 050u =0.008 557u 因反應(yīng)前的總質(zhì)量大于反應(yīng)后的總質(zhì)量,故此核反應(yīng)為放出能量的反應(yīng)。 釋放的核能為E=0.008 557931.5MeV =7.97MeV,(2)氚核的結(jié)合能即為E=7.97MeV 它的比結(jié)合能為 =2.66MeV 答案:(1)放出能量7.97MeV (2)7.97MeV 2.66MeV,【易錯(cuò)分析】本題易錯(cuò)角度及錯(cuò)誤原因分析如下:,