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2019-2020年高中物理
19.5核力与结合能导学案新人教版选修3-5【学习目标】1.知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用;2.知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小;3.理解结合能的概念,知道核反应中的质量亏损;4.知道爱因斯坦的质能方程,理解质量与能量的关系【重点难点】重点质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解难点结合能的概念、爱因斯坦的质能方程、质量与能量的关系【导学】
一、核力与四种基本相互作用1.核力1定义原子核内__________之间的相互作用力.2特点
①核力是____________的一种表现,在原子核的尺度内,核力比库仑力________.
②核力是________,作用范围在______________之内.在大于
0.8×10-15m小于
1.5×10-15m的范围内表现为________,在小于
0.8×10-15m时表现为______.
③核力的饱和性每个核子只跟______的核子发生核力作用.2.四种基本的相互作用按照作用距离的长短,可把它们分为1长程力一种是__________,另一种是电磁力.2短程力一种是______,另一种是______.______是引起原子核β衰变的原因.
二、原子核中质子与中子的比例1.核子比例关系自然界中较轻的原子核,质子数与中子数大致______,但对于较重的原子核,中子数______质子数,越重的原子核,两者相差______.2.形成原因这与核力与电磁力的不同特点有关.原子核大到一定程度时,相距较远的质子间的核力________,较多的质子集聚在一起的______不足以平衡它们之间的库仑力,原子核就不稳定了.这时,如果不再成对地增加质子和中子,而只增加中子,中子与其他核子没有__________,但有相互吸引的______,所以有助于维系原子核的稳定.
三、结合能与质量亏损1.结合能克服核力束缚,使原子核分解为单个核子时______的能量;或若干个核子在核力作用下结合成原子核时______的能量.2.比结合能原子核的结合能与________之比为比结合能,也叫平均结合能.比结合能越大,表示原子核中核子结合得越______,原子核越______,__________的核的比结合能最大、最稳定.3.质量亏损1爱因斯坦质能方程______________.2质量亏损原子核的质量______组成它的核子的质量之和的现象.典型例题例
1、如果要把O分成8个质子和8个中子,需给它多少能量?要把它分为4个He,需给它多少能量?已知O的核子平均结合能是
7.98MeV,He的核子平均结合能是
7.07MeV.解析将O分成8个质子和8个中子所提供的能量为O的结合能,即为其核子数与平均结合能的乘积.将O分成4个He可以看做两个过程一是将O分成8个质子和8个中子,然后再将8个质子和8个中子结合成4个He,需提供的能量为此两个过程的能量之差.把O分成8个质子和8个中子需提供的能量为ΔE1=16×
7.98MeV=
127.68MeV.将2个质子和2个中子结合成一个He所放出的能量为ΔE2=4×
7.07MeV=
28.28MeV.则将O分成4个He需提供的能量为ΔE′=ΔE1-4ΔE2=
127.68MeV-4×
28.28MeV=
14.56MeV.答案
127.68MeV
14.56MeV例
2、用动能为E1=
0.6MeV的质子轰击静止的锂核Li,生成了两个α粒子已知质子、α粒子、锂核的质量分别为mp=
1.0073u,mα=
4.0015u,mLi=
7.0160u.1写出该核反应方程;2试计算生成的两个α粒子的动能之和.解析;1根据质量数和电荷数守恒有Li+H―→2He2核反应的质量亏损Δm=mLi+mp-2mα=
7.0160u+
1.0073u-2×
4.0015u=
0.0203u.由质能方程可得核反应释放出的能量为ΔE=Δm×
931.5MeV=
0.0203×
931.5MeV≈
18.9MeV.又由能量守恒定律,得生成的两个α粒子的动能之和为E=E1+ΔE=
0.6MeV+
18.9MeV=
19.5MeV.【导练】1.中子和质子结合成氘核时,质量亏损为Δm,相应的能量ΔE=Δmc2=
2.2MeV是氘核的结合能.下列说法正确的是 A.用能量小于
2.2MeV的光子照射静止氘核时,氘核不能分解为一个质子和一个中子B.用能量等于
2.2MeV的光子照射静止氘核时,氘核可能分解为一个质子和一个中子,它们的动能之和为零C.用能量大于
2.2MeV的光子照射静止氘核时,氘核可能分解为一个质子和一个中子,它们的动能之和为零D.用能量大于
2.2MeV的光子照射静止氘核时,氘核可能分解为一个质子和一个中子,它们的动能之和不为零2.一个铍原子核Be从最靠近核的K层电子轨道上俘获一个电子后发生衰变,生成一个锂核Li,并放出一个不带电的、质量接近零的中微子νe质量不计,人们把这种衰变叫做铍核的EC衰变,核反应方程为Be+e―→Li+νe.已知一个铍原子质量为m1,一个锂原子质量为m2,一个电子质量为me,光速为c,则一个铍原子核发生上述核反应释放的能量为A.m1-m2c2 B.m1+me+m2c2C.m1+me-m2c2D.m2-m1-mec23.一个负电子质量为m、电荷量为-e和一个正电子质量为m、电荷量为e,以相等的初动能Ek,相向运动,并撞到一起,发生“湮灭”,产生两个频率相同的光子,设产生光子的频率为ν,若这两个光子的能量都为hν,动量分别为p和p′,下面关系中正确的是 A.hν=mc2,p=p′B.hν=mc2,p=p′C.hν=mc2+Ek,p=-p′D.hν=mc2+Ek,p=-p′4.一静止的U核衰变为Th核时,只放出一个α粒子,已知Th的质量为MT,α粒子质量为Mα,衰变过程中质量亏损为Δm,光在真空中的速度为c,若释放的核能全部转化为系统的动能,求放出的α粒子的初动能.5.在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出.中微子的性质十分特别,因此在实验中很难探测.1953年,莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统,利用中微子与水中H的核反应,间接地证实了中微子的存在.1中微子与水中的H发生核反应,产生中子n和正电子e,即中微子+H―→n+e可以判定,中微子的质量数和电荷数分别是__________.填写选项前的字母A.0和0B.0和1C.1和0D.1和12上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇,与电子形成几乎静止的整体后,可以转变为两个光子γ,即e+e―→2γ已知正电子和电子的质量都为
9.1×10-31kg,反应中产生的每个光子的能量约为________________J.正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子,原因是__________________________________________.3试通过分析比较,具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小.
6.在一次核反应中U变成Xe和Sr,同时放出了若干中子.U的平均结合能约为
7.6MeV,Xe的平均结合能约为
8.4MeV,Sr的平均结合能约为
8.7MeV.求1把U分解为核子时,要吸收多少能量?2使相应的核分别结合成Xe和Sr时,要释放出多少能量?3在这个核反应中是吸收能量还是放出能量?这个能量大约是多少?导练答案1.选AD 氘核分解为一个质子和一个中子时,所需吸收的能量不能小于其结合能
2.2MeV,故A对;光子照射氘核时,光子和氘核组成的系统总动量不为零,由动量守恒定律得,光子被氘核吸收后,分解成的质子和中子的总动量不为零,故总动能也不为零,所以把氘核分解为质子和中子所需的能量应大于
2.2MeV,故D对,B、C错.2.选A 铍原子核的质量为m1-4me,锂原子核的质量为m2-3me,则质量亏损为m1-4me+me-m2-3me=m1-m2,故核反应中释放的能量为m1-m2c
2.A项正确.3.选C 负电子和正电子以相等的初动能相向运动发生碰撞而湮灭,正、负电子的总能量为2Ek+2mc2,转化为两个光子后,总动量守恒,为零,故p=-p′,且2Ek+2mc2=2hν,即hν=Ek+mc
2.4.解析根据动量守恒定律得0=MTvT-Mαvα根据能量守恒得Δmc2=MTv+mαv解得Ekα=mαv=·Δmc25.解析1根据方程的质量数与电荷数守恒,判断出中微子的质量数与电荷数均为零.2利用质能方程ΔE=Δmc2可求出每个光子的能量ΔE≈
8.2×10-14J.正电子与电子相遇遵循动量守恒,不可能只转化为一个光子.3粒子的动量p=,物质波的波长λ=.由mn>me,知pn>pe,则λn<λe答案1A
28.2×10-14 遵循动量守恒3λn<λe
6.解析将原子核分解为核子时要吸收能量,将核子结合成原子核时要放出能量,可利用结合能和平均结合能的关系求解.1把U分解为核子时要吸收的能量为E1=235×
7.6MeV=1786MeV2核子结合成Xe释放出的能量为E2=136×
8.4MeV=
1142.4MeV核子结合成Sr释放出的能量为E3=90×
8.7MeV=783MeV3在这个核反应中放出的能量为E′=E2+E3=
1925.4MeV由于E′>E1,所以这个核反应放出能量,放出的能量为ΔE=E′-E1=
139.4MeV.。