5.1核能來自何方學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知道核力的概念、特點(diǎn).2.認(rèn)識(shí)原子核的結(jié)合能，了解平均結(jié)合能.3.知道什么是質(zhì)量虧損，能用愛因斯坦質(zhì)能方程計(jì)算原子核的結(jié)合能一、核力導(dǎo)學(xué)探究1.有的同學(xué)認(rèn)為：“原子核內(nèi)質(zhì)子間的庫侖斥力，與質(zhì)子、中子間的萬有引力平衡而使原子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)”，這種說法正確嗎？答案不正確在相同的距離上，質(zhì)子之間的庫侖力的大小大約比萬有引力強(qiáng)1035倍，兩者相差懸殊，不可能平衡2是什么力克服質(zhì)子之間的庫侖斥力，使核子結(jié)合成一個(gè)穩(wěn)固的原子核的？答案核子間(質(zhì)子與質(zhì)子、中子與中子、質(zhì)子與中子)存在著一種比庫侖力大得多的核力知識(shí)梳理核力及特點(diǎn)1核力：組成原子核的核子之間存在著一種特殊的力2核力特點(diǎn)：(1)核力是一種強(qiáng)相互作用力，它存在于質(zhì)子與質(zhì)子間、質(zhì)子與中子間、中子與中子間(2)核力是一種短程力，它的作用距離只有1015m的數(shù)量級(jí)因此，每個(gè)核子只能對(duì)跟它鄰近的少數(shù)核子(一般不超過3個(gè))發(fā)生顯著的相互作用(3)核力與核子是否帶電無關(guān)，質(zhì)子與質(zhì)子間、質(zhì)子與中子間、中子與中子間都可以有核力作用即學(xué)即用判斷下列說法的正誤(1)原子核中的質(zhì)子是靠自身的萬有引力聚在一起的()(2)核力是強(qiáng)相互作用力，在原子核的尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多()二、結(jié)合能導(dǎo)學(xué)探究1設(shè)有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子在核力作用下靠近碰撞并結(jié)合成一個(gè)氘核質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核的過程中是釋放能量還是吸收能量？使氘核分解為質(zhì)子和中子的過程中呢？答案質(zhì)子和中子結(jié)合成原子核的過程中要釋放能量；氘核分解成質(zhì)子和中子時(shí)要吸收能量2如圖1所示是不同原子核的平均結(jié)合能隨核子數(shù)變化的曲線圖1(1)從圖中看出，中等質(zhì)量的原子核與重核、輕核相比平均結(jié)合能有什么特點(diǎn)？平均結(jié)合能的大小反映了什么？(2)平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化為平均結(jié)合能較大的原子核時(shí)是吸收能量還是釋放能量？答案(1)中等質(zhì)量的原子核平均結(jié)合能較大，平均結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定性，平均結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定(2)釋放能量知識(shí)梳理1結(jié)合能核子結(jié)合成原子核時(shí)釋放的能量，或原子核分解成核子時(shí)吸收的能量叫原子核的結(jié)合能2平均結(jié)合能核子結(jié)合成原子核時(shí)每個(gè)核子平均放出的能量叫做平均結(jié)合能，它等于核的結(jié)合能跟核子數(shù)的比值平均結(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3核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，平均結(jié)合能都比較小，中等核子數(shù)的原子核，平均結(jié)合能較大當(dāng)平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化為平均結(jié)合能較大的原子核時(shí)會(huì)釋放核能即學(xué)即用判斷下列說法的正誤(1)一切原子核均具有結(jié)合能()(2)組成原子核的核子越多，它的平均結(jié)合能就越高()(3)結(jié)合能越大，核子結(jié)合得越牢固，原子越穩(wěn)定()(4)自由核子結(jié)合為原子核時(shí)，可能吸收能量()三、質(zhì)量虧損和核能的計(jì)算導(dǎo)學(xué)探究1用粒子轟擊鈹(Be)核發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程BeHeCn甲同學(xué)說：核反應(yīng)過程中核子數(shù)沒變，所以質(zhì)量是守恒的；乙同學(xué)查找資料，各個(gè)原子核或核子的質(zhì)量如下：mBe9.01219u，mC12.000u，m4.0026u，mn1.008665u(其中1u1.6605661027 kg)，他通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)反應(yīng)之后的質(zhì)量減少了，于是他得出結(jié)論“核反應(yīng)過程中質(zhì)量消失了”這兩個(gè)同學(xué)的說法對(duì)嗎？如果不對(duì)錯(cuò)在哪里？你對(duì)質(zhì)量虧損是如何理解的？答案甲同學(xué)的說法錯(cuò)誤核反應(yīng)過程中是質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒；乙同學(xué)的說法錯(cuò)誤質(zhì)量虧損并不是質(zhì)量消失2試計(jì)算上述核反應(yīng)過程中是釋放能量，還是吸收能量？能量變化了多少？答案反應(yīng)前的總質(zhì)量m1mBem9.01219u4.0026u13.01479u反應(yīng)后的總質(zhì)量m2mCmn12.0000u1.008665u13.008665u所以質(zhì)量虧損mm1m213.01479u13.008665u0.006125u.放出的能量Emc20.0061251.6605661027(3108)2J9.151013J5.719MeV.知識(shí)梳理1質(zhì)能方程愛因斯坦的相對(duì)論指出，物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，其關(guān)系是Emc2.2質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消失，減少的質(zhì)量在核子結(jié)合成核的過程中以能量的形式輻射出去了物體質(zhì)量增加，則總能量隨之增加；質(zhì)量減少，則總能量也隨之減少這時(shí)質(zhì)能方程也寫作Emc2.一、對(duì)結(jié)合能和平均結(jié)合能的理解1中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能最大，輕核和重核的平均結(jié)合能都比中等質(zhì)量的原子核要小2平均結(jié)合能與原子核穩(wěn)定的關(guān)系(1)平均結(jié)合能的大小能夠反映原子核的穩(wěn)定程度，平均結(jié)合能越大，原子核就越難拆開，表示該原子核就越穩(wěn)定(2)核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，平均結(jié)合能都比較小，表示原子核不太穩(wěn)定；中等核子數(shù)的原子核，平均結(jié)合能較大，表示原子核較穩(wěn)定(3)當(dāng)平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成平均結(jié)合能較大的原子核時(shí)，就能釋放核能例如，一個(gè)核子數(shù)較大的重核分裂成兩個(gè)核子數(shù)小一些的核，或者兩個(gè)核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個(gè)核子數(shù)大一些的核，都能釋放出巨大的核能例1下列關(guān)于結(jié)合能和平均結(jié)合能的說法中，正確的是()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平均結(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)合能和平均結(jié)合能都大D中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和平均結(jié)合能均比輕核的要大答案D解析核子結(jié)合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，但平均結(jié)合能越大的原子核，其結(jié)合能不一定大，B、C選項(xiàng)錯(cuò)誤；中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能比輕核的大，它的原子核內(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)正確針對(duì)訓(xùn)練一個(gè)中子與某原子核發(fā)生核反應(yīng)，生成一個(gè)氘核，其核反應(yīng)方程為_，該反應(yīng)放出的能量為Q，則氘核的平均結(jié)合能為_答案nHH解析核反應(yīng)方程nHH，核子結(jié)合成原子核要放出能量，這個(gè)能量叫原子核的結(jié)合能，它的結(jié)合能與核子數(shù)之比稱做平均結(jié)合能，由題意知氘核的核子數(shù)為2，所以平均結(jié)合能為.1核子結(jié)合成原子核時(shí)一定釋放能量，原子核分開成核子時(shí)一定吸收能量，吸收或釋放的能量越大，表明原子核的結(jié)合能越大2平均結(jié)合能越大表明原子核越穩(wěn)定一般情況下，中等質(zhì)量的原子核比輕核和重核的平均結(jié)合能大二、質(zhì)量虧損和核能的計(jì)算1根據(jù)質(zhì)量虧損計(jì)算根據(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)愛因斯坦質(zhì)能方程Emc2計(jì)算核能其中m的單位是千克，E的單位是焦耳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和電子伏特之間的關(guān)系1u1.6605661027kg,1eV1.6021781019J由Emc2得EeV931.5MeV根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5MeV的能量，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)乘以931.5MeV，即Em931.5MeV.其中m的單位是u，E的單位是MeV.例3H的質(zhì)量是3.016050u，質(zhì)子的質(zhì)量是1.007277u，中子的質(zhì)量為1.008665u求：(質(zhì)量虧損1u相當(dāng)于釋放931.5MeV的能量)(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)合能和平均結(jié)合能各是多少？答案(1)放出7.97MeV(2)7.97MeV2.66MeV解析(1)一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合成氚核的反應(yīng)方程式是H2nH，反應(yīng)前各核子總質(zhì)量為mp2mn(1.00727721.008665) u3.024607u，反應(yīng)后新核的質(zhì)量為mH3.016050u，質(zhì)量虧損為m(3.0246073.016050) u0.008557u.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)放出能量釋放的核能為E0.008557931.5MeV7.97MeV.(2)氚核的結(jié)合能即為E7.97MeV，它的平均結(jié)合能為2.66MeV.核能的兩種單位換算技巧1若以kg為質(zhì)量虧損m的單位，則計(jì)算時(shí)應(yīng)用公式Emc2，核能的單位為J.2若以原子單位“u”為質(zhì)量虧損m的單位，則Em931.5MeV，核能的單位為MeV.3兩種單位的換算：1MeV11061.61019J1.61013J.1(核力的特點(diǎn))下列關(guān)于核力的說法正確的是()A核力同萬有引力沒有區(qū)別，都是物體間的相互作用B核力就是電磁力C核力是短程力，作用范圍在1015m之內(nèi)D核力與電荷有關(guān)答案C解析核力是短程力，超過1015m，核力急劇下降幾乎消失，故選項(xiàng)C正確；核力與萬有引力、電磁力不同，故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；核力與電荷無關(guān)，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤2(對(duì)質(zhì)能方程的理解)(多選)對(duì)公式Emc2的正確理解是()A如果物體的能量減少了E，它的質(zhì)量也一定相應(yīng)地減少mB如果物體的質(zhì)量增加了m，它的能量也一定相應(yīng)地增加mc2Cm是某原子核在衰變過程中增加的質(zhì)量D在把核子結(jié)合成原子核時(shí)，若放出的能量是E，則這些核子的質(zhì)量和與組成的原子核的質(zhì)量之差就是m答案ABD解析一定的質(zhì)量對(duì)應(yīng)一定的能量，物體的能量減少了E，它的質(zhì)量也一定相應(yīng)地減少m，即發(fā)生質(zhì)量虧損，所以選項(xiàng)A、D正確如果物體的質(zhì)量增加了m，它的能量一定相應(yīng)地增加mc2，所以選項(xiàng)B正確某原子核衰變時(shí)，一定發(fā)生質(zhì)量虧損，所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤3(核能的計(jì)算)一個(gè)鋰核(Li)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1.67261027kg，鋰核的質(zhì)量是11.65051027kg，氦核的質(zhì)量是6.64661027kg.(1)寫出上述核反應(yīng)的方程；(2)計(jì)算上述核反應(yīng)釋放出的能量答案(1)LiH2He(2)2.6911012J解析(1)LiH2He(2)核反應(yīng)的質(zhì)量虧損mmLimp2m(11.650510271.6726102726.64661027) kg2.991029kg釋放的能量Emc22.991029(3108)2J2.6911012J一、選擇題考點(diǎn)一對(duì)核力及結(jié)合能的理解1下列對(duì)核力的認(rèn)識(shí)正確的是()A任何物體之間均存在核力B核力廣泛存在于自然界中的核子之間C核力只存在于質(zhì)子之間D核力存在于質(zhì)子與質(zhì)子間、質(zhì)子與中子間、中子與中子間答案D2核子結(jié)合成原子核或原子核分解為核子時(shí)，都伴隨著巨大的能量變化，這是因?yàn)?)A原子核帶正電，電子帶負(fù)電，電荷間存在很大的庫侖力B核子具有質(zhì)量且相距很近，存在很大的萬有引力C核子間存在著強(qiáng)大的核力D核子間存在著復(fù)雜磁力答案C3下列關(guān)于平均結(jié)合能的說法正確的是()A核子數(shù)越多，平均結(jié)合能越大B核子數(shù)越多，平均結(jié)合能越小C結(jié)合能越大，平均結(jié)合能越大D平均結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定答案D解析由核平均結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)的變化圖像可知，中等質(zhì)量核的平均結(jié)合能較大，A、B、C錯(cuò)；而平均結(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，D對(duì)考點(diǎn)二質(zhì)能方程的理解、質(zhì)量虧損和核能的計(jì)算4原子質(zhì)量單位為u,1u相當(dāng)于931.5MeV的能量，真空中光速為c，當(dāng)質(zhì)量分別為m1和m2的原子核結(jié)合為質(zhì)量為M的原子核時(shí)釋放出的能量是()A(Mm1m2) uc2B(m1m2M) u931.5JC(m1m2M)cD(m1m2M)931.5MeV答案D5太陽因核聚變釋放出巨大的能量，同時(shí)其質(zhì)量不斷減小太陽每秒鐘輻射出的能量約為41026J，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，太陽每秒鐘減少的質(zhì)量最接近()A1036kgB1018kgC1013kgD109kg答案D解析根據(jù)Emc2得：m kg4.4109 kg，故D正確，A、B、C錯(cuò)誤6當(dāng)兩個(gè)中子和兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)粒子時(shí)，放出28.30MeV的能量，當(dāng)三個(gè)粒子結(jié)合成一個(gè)碳核時(shí)，放出7.26MeV的能量，則當(dāng)6個(gè)中子和6個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)碳核時(shí)，釋放的能量為()A21.04MeVB35.56MeVC92.16MeVD77.64MeV答案C解析設(shè)中子的質(zhì)量為mn，質(zhì)子的質(zhì)量為mp，粒子的質(zhì)量為m，碳原子核的質(zhì)量為mC.根據(jù)質(zhì)能方程：E128.30 MeV2(mnmp)mc2E27.26 MeV3mmCc2E36mn6mpmCc2由以上各式得E392.16 MeV.7如圖1所示是描述原子核核子的平均質(zhì)量與原子序數(shù)Z的關(guān)系曲線，由圖可知下列說法正確的是()圖1A將原子核A分解為原子核B、C可能吸收能量B將原子核D、E結(jié)合成原子核F可能吸收能量C將原子核A分解為原子核B、F一定釋放能量D將原子核F、C結(jié)合成原子核B一定釋放能量答案C解析因B、C核子平均質(zhì)量小于A的核子平均質(zhì)量，故A分解為B、C時(shí)，會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量虧損，故放出核能，故A錯(cuò)誤，同理可得B、D錯(cuò)誤，C正確8中子n、質(zhì)子p、氘核D的質(zhì)量分別為mn、mp、mD.現(xiàn)用光子能量為E的射線照射靜止氘核使之分解，核反應(yīng)方程為Dpn，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()A.(mDmpmn)c2EB.(mDmnmp)c2EC.(mDmpmn)c2ED.(mDmnmp)c2E答案C解析氘核分解為核子時(shí)，要吸收能量，質(zhì)量增加，本題核反應(yīng)過程中射線的能量E對(duì)應(yīng)質(zhì)量的增加和中子與質(zhì)子動(dòng)能的產(chǎn)生，即Emc22Ek(mpmnmD)c22Ek得EkE(mpmnmD)c2(mDmpmn)c2E，故選C.9(多選)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核，同時(shí)放出光子，核反應(yīng)方程是HnH，以下說法中正確的是()A反應(yīng)后氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和B反應(yīng)前后的質(zhì)量數(shù)不變，因而質(zhì)量不變C光子的能量mc2，m為反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，c為光在真空中的速度D因存在質(zhì)量虧損m，所以“物質(zhì)不滅”的說法不正確答案AC解析由于反應(yīng)中要釋放核能，會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量虧損，反應(yīng)后氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和，所以質(zhì)量不守恒，但質(zhì)量數(shù)不變，且能量守恒，釋放的能量會(huì)以光子的形式向外釋放，故正確答案為A、C.二、非選擇題10(核能的計(jì)算)已知氮核質(zhì)量MN14.00753u，氧17核的質(zhì)量MO17.00454u，氦核質(zhì)量MHe4.00387u，氫核質(zhì)量MH1.00815u，試判斷：NHeOH這一核反應(yīng)是吸收能量還是放出能量？能量變化是多少？(已知1u相當(dāng)于931.5MeV的能量)答案吸收能量1.2MeV解析反應(yīng)前總質(zhì)量：MNMHe18.01140u，反應(yīng)后總質(zhì)量：MOMH18.01269u.可以看出：反應(yīng)后總質(zhì)量增加，故該反應(yīng)是吸收能量的反應(yīng)故E(18.0126918.01140)931.5MeV1.2MeV.11(質(zhì)量虧損與核能的計(jì)算)一個(gè)靜止的鐳核Ra發(fā)生衰變放出一個(gè)粒子變?yōu)殡焙薘n.已知鐳核226質(zhì)量為226.0254u，氡核222質(zhì)量為222.0163u，放出粒子的質(zhì)量為4.0026u,1u相當(dāng)于931.5MeV的能量(1)寫出核反應(yīng)方程；(2)求鐳核衰變放出的能量；(3)若衰變放出的能量均轉(zhuǎn)變?yōu)殡焙撕头懦隽Ｗ拥膭?dòng)能，求放出粒子的動(dòng)能答案(1)RaRnHe(2)6.05MeV(3)5.94MeV解析(1)核反應(yīng)方程為RaRnHe.(2)鐳核衰變放出的能量為Emc2(226.02544.0026222.0163)931.5MeV6.05MeV.(3)鐳核衰變前靜止，鐳核衰變時(shí)動(dòng)量守恒，則由動(dòng)量守恒定律可得mRnvRnmv0又因?yàn)樗プ兎懦龅哪芰哭D(zhuǎn)變?yōu)殡焙撕土Ｗ拥膭?dòng)能，則EmRnvmv由可得EkE6.05MeV5.94MeV.