高中物理 第4章 核能 第1節(jié) 核力與核能知識導航素材 魯科版選修3-5（通用）

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1、第1節(jié) 核力與核能 思維激活 原子核很小，結構卻十分復雜，除氫核外，其他各元素的原子核中既有帶正電的質子，又有不帶電的中子，質子間的靜電斥力沒有把它們驅散開，中子不帶電，同樣能聚集在一起；為什么能形成穩(wěn)定的結構？ 提示：組成原子核的相鄰核子之間存在著一種特殊的力——核力.核力有著完全不同于萬有引力和靜電力的一些性質： (1)核力是強相互作用(強力)的一種表現(xiàn).在它的作用范圍內，核力比庫侖力大得多. (2)核力是短程力，作用范圍在1.5×10-15 m之內.核力在大于0.8×10-15 m時表現(xiàn)為吸引力，且隨距離增大而減小，超過1.5×10-15 m，核力急劇下降幾乎消失；而在距離

2、小于0.8×10-15 m時，核力表現(xiàn)為斥力，因此核子不會融合在一起. (3)每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，這種性質稱為核力的飽和性. 自主整理 1.核力：原子內部核子間所特有的相互作用力，是一種________.作用距離在________以內，超過這個距離，核力________，它既不是電磁力，也不是萬有引力. 核力與電荷無關，原子核內相鄰質子間、中子間、質子和中子間均存在核力，且是相同的. 2.質量虧損：組成原子核的核子總質量與原子核的質量之差叫________. 3.質能方程 (1)方程：________，m是物體的質量，c是真空中的光速. (2)物理意義：物體的質

3、量和________間有一定聯(lián)系，即物體具有的能量與其質量成正比，當物體的能量增加或減小ΔE，它的質量也會相應地增加或減少Δm，ΔE與Δm的關系是________. 高手筆記 不同的核反應都可以放出能量 原因是它們在發(fā)生核反應時都有質量虧損. 精確的研究表明，原子核的質量雖然隨著原子序數(shù)Z的增大而增大，但是二者之間并不成正比關系.人們發(fā)現(xiàn)，不同的原子核，其核子的平均質量(原子核的質量除以核子數(shù))與原子序數(shù)有如圖4-1-1所示的關系. 圖4-1-1 中等質量的原子核的核子的平均質量較小，重核和輕核的核子平均質量較大. 從圖中可以看出，鐵原子核中核子的平均質量最小.如果原子序數(shù)較

4、大的重核A分裂成原子序數(shù)小一些的核B和C，或者原子序數(shù)很小的輕核D、E結合成一個原子序數(shù)大些的F核，都會有質量虧損，都會放出巨大的核能.核物理中把重核分裂成質量較小的核而釋放出核能的反應，稱為裂變；把輕核結合成質量較大的核而釋放出核能的反應，稱為聚變. 名師解惑 什么是比結合能？ 剖析： 原子核的質量小于組成它的質子和中子質量之和，兩者之差稱為原子核的質量虧損，用Δm表示.如果質量數(shù)為A的原子核質量為ma，組成它的質子質量為ZmP，中子質量為(A-Z)mn，則質量虧損可以表示為 Δm=ZmP+(A-Z)mn-mA 根據(jù)相對論的質能關系E=mc2，當系統(tǒng)質量改變時，一定也有相應的能量

5、改變，關系為 ΔE=(Δm)c2 因此質子、中子組成原子核時放出能量，這能量為原子核的結合能，用EB來表示.反之要使原子核分解為單個的質子和中子就必須給予和結合能等值的能量.例如氘的結合能為2.23 MeV，當用能量為2.23 MeV的γ射線光子去轟擊氘就能將它分解為自由的質子和中子(如圖4-1-2所示). 圖4-1-2 氘核分解為質子和中子 原子核的結合能EB與質量數(shù)A之比，稱為該原子核的平均結合能，又稱比結合能ε，即 ε= 核子的比結合能愈大，原子核就愈穩(wěn)定.圖4-1-3畫出了比結合能對核子數(shù)(質量數(shù)A)的曲線圖. 由圖中可以看出，最輕核和最重核比結合能較小，對于大多數(shù)

6、中等質量的核，比結合能近似地相等，都在8 MeV左右，中等質量的核最為穩(wěn)定.因此當重核裂變成為中等質量的核，或輕核聚變?yōu)橘|量較大的核時，都將釋放出巨大的核能. 圖4-1-3 比結合能曲線 原子彈是利用重核裂變原理研制出來的核武器，圖4-1-4是長約3 m的“LittleBoy”型原子彈的照片. 圖4-1-4 講練互動 【例題】用質子轟擊鋰核，生成了2個α粒子.已知：質子的初動能是E1=0.6 MeV，質子、α粒子和鋰核的質量分別是mP=1.007 3 u，mα=4.001 5 u，mLi=7.016 0 u，試回答下列問題： (1)寫出這個核反應方程； (2)核反應前后

7、的質量虧損Δm； (3)核反應中釋放出的能量ΔE； (4)核反應釋放出的能量全部增加為兩個α粒子的動能，則核反應后兩個α粒子具有的總動能E. 解析：(1)核反應方程為+→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 綠色通道 也可以直接用1 u=931

8、.5 MeV計算質量虧損或能量. 變式訓練 一個鈹核俘獲一個α粒子后放出中子，生成碳核，已知它們的質量分別為：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)寫出核反應方程，算出反應過程中釋放的能量； (2)若有3 kg鈹和1 kg氦參加反應，哪種元素將有剩余？剩余多少？ 解析：核反應方程應遵循質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒.根據(jù)反應中的質量虧損由質能方程可算出釋放的能量；根據(jù)核反應中鈹核與氮核的質量比，即可判知所剩余的元素. (1)根據(jù)核反應中質量數(shù)守恒和核電荷數(shù)守恒得核反應

9、式： +→++ΔE 式中ΔE就是反應中釋放的能量. 因核反應過程中的質量虧損為： Δm=(mBe+mHe)-(mc+mn)=(9.012 18+4.002 60-12.000 0-1.008 665) u=0.006 11 u. 根據(jù)愛因斯坦質能方程得釋放的能量為： 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)由核反應式知，參與反應的鈹核質量與氦核質量之比為9∶4，因此當3 kg鈹和1 kg氦發(fā)生反應時，氦將完全發(fā)生反應，而鈹還有部分剩余.設參加反應的鈹?shù)馁|量為mx，則由反應

10、條件知9∶4=mx∶1得mx=9/4 kg=2.25 kg.剩余的鈹?shù)馁|量為mBe=3 kg-2.25 kg=0.75 kg. 答案：(1) +→++ΔE 5.7 MeV (2)鈹元素 0.75 kg 體驗探究 【問題】怎樣從原子核中獲取能量而且加以應用？ 導思：要將核子從原子核中分離，需要外力克服核力做功；核子結合在一起時，會釋放能量. 探究：任何一個原子核的質量總是小于組成它的所有核子的質量之和.根據(jù)愛因斯坦質能方程可知，核子結合成原子核時將有ΔE=Δmc2的能量放出.根據(jù)平均結合能曲線可以推出：重核的平均結合能比中等質量核的平均結合能要小，容易裂變成中等質量的核而放出能量.輕核的平均結合能比稍重的核的平均結合能要小，如果它們聚合成較重的核，也要釋放能量.