第五章 原子核\n3．核力与结合能\n课前预习反馈课内互动探究课堂达标检测目标体系构建核心素养提升\n目标体系构建\n【学习目标】1．了解四种基本相互作用，知道核力的性质。2．认识原子核的结合能和比结合能的概念。3．知道什么是质量亏损，能用质能方程计算核能相关问题。\n【思维脉络】\n课前预习反馈\n1．四种基本相互作用(1)引力相互作用，把行星和恒星聚在一起，组成太阳系，银河系和其他星系，是长程力。(2)电磁相互作用，宏观物体中包含了大量带负电的________和带正电的__________宏观物体之间的________、________、________、__________等，都起源于这些电荷间的相互作用是长程力。电子知识点1核力与四种基本相互作用原子核压力拉力弹力支持力\n(3)强相互作用，原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得________紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。这种作用称为______________，是短程力。(4)弱相互作用，在某种放射现象中起作用的还有一种基本相互作用称为______________，弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，其力程比强相互作用更短，是短程力，作用范围只有__________。核子强相互作用弱相互作用10－18m\n2．核力原子核由质子和中子组成，中子和质子靠强大的核力结合在一起。(1)核力是强相互作用(强力)的一种表现。(2)核力是短程力，作用范围在10－15m之内。\n1．结合能原子核是________凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要________，这就是原子核的结合能。2．比结合能(平均结合能)原子核的结合能与__________之比，称作比结合能，也叫________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。核子知识点2结合能与质量亏损能量核子数平均牢固稳定中等大小\n3．质能方程物体的能量与它们质量的关系是：E＝________。4．质量亏损原子核的质量________组成它的核子的质量之和的现象。mc2小于\n思考辨析『判一判』(1)原子核中的质子是靠自身的万有引力聚在一起的。()(2)核力是强相互作用力，在原子核的尺度内，核力比库仑力大多得。()(3)在原子核的组成中，质子数等于中子数。()(4)质能方程E＝mc2表明了质量与能量间的一种对应关系。()(5)组成原子核的核子越多，它的结合能就越高。()(6)结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定。()×√×√√×\n『选一选』(多选)对结合能、比结合能的认识，下列说法正确的是()A．核子结合为原子核时，一定释放能量B．核子结合为原子核时，可能吸收能量C．结合能越大的原子核越稳定D．比结合能越大的原子核越稳定AD\n解析：由自由核子结合成原子核的过程中，核力做正功，释放出能量。反之，将原子核分开变为自由核子，它需要吸收相应的能量，该能量即为结合能，故A正确，B错误；对核子较多的原子核的结合能越大，但它的比结合能不一定大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性，故C错误，D正确。\n『想一想』原子核是由中子和质子构成的。在原子核那样狭小的空间里，是什么力量把带正电的质子紧紧地束缚在一起而不飞散开呢？答案：原子核中的核子间存在着很强的核力作用，但核力的作用距离很短，只有约10－15m，所以虽然质子都带正电，有库仑斥力，但仍紧密地结合在原子核内而不飞散开。\n课内互动探究\n探究四种基本相互作用及核力的性质情景导入提示：(1)核力与电荷无关。(2)还有库仑力，万有引力。\n1．四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用(1)引力相互作用：引力主要在宏观和宏观尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状。万有引力是长程力。(2)电磁相互作用：电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原子结合成分子，使分子结合成液体和固体。要点提炼\n(3)强力：即强相互作用，在原子核内，强力将核子束缚在一起，强力是短程力。(4)弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为10－18m，作用强度则比电磁力小。\n2．核力的性质(1)核力是四种相互作用中的强相互作用(强力)的一种表现。(2)核力是短程力。约在10－15m数量级时起作用，距离大于0.8×10－15m时为引力，距离小于0.8×10－15m时为斥力，距离为1.5×10－15m时核力几乎消失。(3)核力具有饱和性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。\n核力具有电荷无关性。核力与核子电荷无关，无论是质子间、中子间、质子和中子间均存在核力。特别提醒\n关于原子核中质子和中子的说法，正确的是()A．原子核中质子数和中子数一定相等B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多C．原子核都是非常稳定的D．由于核力的作用范围是有限的以及核力的饱和性，不可能无节制的增大原子核而仍稳定存在典例1典例剖析D\n解题指导：解答本题需思考以下两个问题(1)原子核内的质子数与中子数的分配比例是怎样的？(2)原子核能否无节制地增大？解析：原子核中质子数和中子数不一定相等，特别是在原子序数越大的原子核中，中子数比质子数多，且原子序数大的和小的都没有中等质量原子核稳定，故A、B、C错误；又由于核力是短程力及饱和性的特点，使原子核不可能无节制的增大，故D正确。\n1．关于核力的说法正确的是()A．核力同万有引力没有区别，都是物体间的作用B．核力就是电磁力C．核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内D．核力与电荷有关解析：核力是短程力，超过1.5×10－15m，核力急剧下降几乎消失，故C正确，核力与万有引力、电磁力不同，故A、B错误，核力与电荷无关，故D错误。对点训练C\n探究对结合能和比结合能的理解情景导入如图所示为原子核的比结合能示意图。\n(1)比结合能最小的是什么原子核？(2)随着质量数的增加，比结合能曲线整体上有什么变化规律？\n1．结合能要把原子核分开成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量。2．比结合能等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比值，它反映了原子核的稳定程度。要点提炼\n3．比结合能曲线不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图所示。从图中可看出，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小。\n4．比结合能与原子核稳定的关系(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定。(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定。(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可能释放核能。例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。\n(1)结合能大的原子核，比结合能不一定大，结合能小的原子核，比结合能不一定小。(2)核的大小与原子核稳定的关系方面：中等大小核的比结合能最大、原子核最稳定。特别提醒\n下列关于结合能和比结合能的说法中，正确的有()A．核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能B．比结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大C．重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和比结合能都大D．中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大典例2典例剖析D\n解题指导：要正确理解结合能和比结合能两个概念。中等质量原子核的比结合能大于重核、轻核的比结合能，但结合能大小可以直接看原子核的核子数比较，核子数多，结合能就大。解析：核子结合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，A选项错误；比结合能越大的原子核越稳定，但比结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的比结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核反而小，B、C选项错误；中等质量原子核的比结合能比轻核的大，它的原子核内核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，D选项正确。\n对点训练AD\n\n探究对质量亏损和质能方程的理解情景导入如图所示是原子核转变示意图。(1)在核反应过程中遵循什么规律？(2)核反应过程中质量守恒吗？提示：(1)核反应前后质量数守恒、电荷数守恒和能量守恒(2)守恒\n1．对质量亏损的理解(1)在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒，所谓的质量亏损并不是这部分质量消失或质量转变为能量。物体的质量应包括静止质量和运动质量，质量亏损是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量。(2)质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子个数是不变的。要点提炼\n2．对质能方程E＝mc2的理解(1)质能方程说明，一定的质量总是跟一定的能量相联系的。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，等于光速的平方与其质量之积，这里所说的总能量，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。(2)根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比。物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写作ΔE＝Δmc2。\n(3)质能方程的本质①质量或能量是物质的属性之一，决不能把物质和它们的某一属性(质量和能量)等同起来。②质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，方程建立了这两个属性在数值上的关系，这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒，质量和能量在数值上的联系决不等于这两个量可以相互转化。③质量亏损不是否定了质量守恒定律。根据爱因斯坦的相对论，辐射出的γ光子静质量虽然为零，但它有动质量，而且这个动质量刚好等于亏损的质量，所以质量守恒、能量守恒仍成立。\n3．核能的计算方法(1)根据质量亏损计算①根据核反应方程，计算核反应前和核反应后的质量亏损Δm。②根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能。其中Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳。\n\n②根据1原子质量单位(u)相当于931.5MeV的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5MeV。其中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV。\n4．根据能量守恒和动量守恒来计算核能参与核反应的粒子所组成的系统，在核反应过程中的动量和能量是守恒的，因此，利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化。5．利用平均结合能来计算核能原子核的结合能＝核子的平均结合能×核子数。核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能。\n(1)切记不要误认为亏损的质量转化为能量。核反应过程中质量亏损是静止的质量减少，辐射γ光子的运动质量刚好等于亏损的质量，即反应前后仍然遵循质量守恒和能量守恒。(2)核反应中释放的核能是由于核力做功引起的。特别提醒\n典例3典例剖析\n解题指导：(1)根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程；(2)根据动量守恒定律求氚核和α粒子的速度大小；(3)根据核反应过程中释放出的核能求出质量亏损。\n\n3．(2021·北京师大附中高二下学期月考)质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3,当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c表示真空中的光速)()A．(m1＋m2－m3)cB．(m1－m2－m3)cC．(m1＋m2－m3)c2D．(m1－m2－m3)c2解析：根据质能方程ΔE＝Δmc2知，核反应过程中释放的能量等于质量的减少量与光速c平方的乘积，故选项C正确。对点训练C\n核心素养提升\n核反应是吸热还是放热的判定法核反应是释放还是吸收能量有如下两种判断方法：(1)根据反应前后的质量变化质量亏损——释放能量；质量增加——吸收能量。(2)根据反应前后的比结合能的变化比结合能变大——释放能量；比结合能变小——吸收能量。\n案例AC\n解析：由图可知，F原子核的核子的平均质量小，则原子序数较小的核D、E结合成原子序数较大的核F时，因F的核子的平均质量小于D、E核子的平均质量，故出现质量亏损，由质能方程知，该过程一定要放出核能，所以选项A正确，B错误；因为C、B的核子的平均质量小于A核子的平均质量，故A分裂成B、C的过程一定要释放能量，所以选项C正确，D错误。\n课堂达标检测\n1．(多选)(2021·云南楚雄武定民族中学高二上期末)下列关于核力与结合能的说法中正确的是()A．将原子核拆散成核子所吸收的能量与核子结合成原子核所放出的能量相同B．核力与万有引力性质相同C．核力只存在于相邻的核子之间D．核子数越多，原子核越稳定AC\n解析：将原子核拆散成核子与核子结合成原子核两个过程质量的变化相等，根据爱因斯坦质能方程得知，将原子核拆散成核子所吸收的能量与核子结合成原子核所放出的能量相同，故A正确；核力与万有引力性质不同，核力只存在于相邻核子之前，而万有引力存在于宇宙万物之间，故B错误；核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m，原子核的半径数量级在10－15m，所以核力只存在于相邻的核子之间，故C正确；核子数越多，原子核不一定越稳定，应是比结合能越大，原子核越稳定，故D错误。\n2．(2020·福建南平高级中学高二期中)为了直接验证爱因斯坦狭义相对论中著名的质能方程E＝mc2，科学家用中子轰击硫原子，分别测出原子捕获中子前后质量的变化以及核反应过程中放出的热量，然后进行比较，精确验证了质能方程的正确性。设捕获中子前的原子质量为m1，捕获中子后的原子质量为m2，被捕获的中子质量为m3，核反应过程放出的能量为ΔE，则这一实验需验证的关系是()A．ΔE＝(m1－m2－m3)c2B．ΔE＝(m1＋m3－m2)c2C．ΔE＝(m2－m1－m3)c2D．ΔE＝(m2－m1＋m3)c2B\n解析：反应之前的质量为：m1＋m3，反应后的质量为：m2，因此质量亏损为：Δm＝m1＋m3－m2，因此需要验证的关系式为：ΔE＝(m1＋m3－m2)c2，故B正确。\nB\n
