物理 第十九章 原子核 5 核力与结合能2 新人教版选修3-5 .ppt

5核力与结合能一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用1.1.核力核力:原子核内原子核内_之之间的相互作用力。的相互作用力。核子核子2.2.核力的特点核力的特点:(1)(1)核力是核力是_的一种表的一种表现,在原子核内在原子核内,核力比核力比库仑力大得力大得多。多。(2)(2)核力是短程力核力是短程力,作用范作用范围在在_之内。在大于之内。在大于0.80.81010-15-15m m小于小于1.51.51010-15-15m m的范的范围内表内表现为吸引力吸引力,在小于在小于0.80.81010-15-15m m时表表现为斥力。斥力。(3)(3)核力的核力的饱和性和性:每个核子只跟每个核子只跟_发生核力作用。生核力作用。强强相互作用相互作用1.51.51010-15-15m m邻近的核子近的核子3.3.四种基本相互作用四种基本相互作用:更短更短电磁磁力力万有引力万有引力【判一判判一判】(1)(1)原子核中的原子核中的质子是靠自身的万有引力聚在一起的。子是靠自身的万有引力聚在一起的。()(2)(2)核力是核力是强强相互作用力相互作用力,在原子核的尺度内在原子核的尺度内,核力比核力比库仑力大得力大得多。多。()(3)(3)弱相互作用的力程比弱相互作用的力程比强强力更短。力更短。()提示提示:(1)(1)。原子核中的质子是靠强相互作用力聚在一起的。原子核中的质子是靠强相互作用力聚在一起的。(2)(2)。核力是强相互作用力。核力是强相互作用力,在原子核的尺度内在原子核的尺度内,核力比库仑力大得核力比库仑力大得多。多。(3)(3)。弱相互作用的力程比强力更短。弱相互作用的力程比强力更短,为为1010-18-18m m。二、原子核中二、原子核中质子与中子的比例子与中子的比例1.1.自然界中自然界中较轻的原子核的原子核,质子数与中子数大致子数与中子数大致_。2.2.较重的原子核重的原子核,中子数中子数_质子数子数,越重的元素越重的元素,两者相差越多。两者相差越多。相等相等大于大于【判一判判一判】(1)(1)在原子核的在原子核的组成中成中,质子数等于中子数。子数等于中子数。()(2)(2)原子核大到一定程度原子核大到一定程度,原子核就不原子核就不稳定了。定了。()(3)(3)在宇宙演化在宇宙演化过程中程中,只有只有稳定的原子核定的原子核长久地留了下来。久地留了下来。()提示提示:(1)(1)。在原子核的组成中。在原子核的组成中,质子数与中子数大致相等质子数与中子数大致相等,对于较重对于较重的原子核中子数大于质子数。的原子核中子数大于质子数。(2)(2)。原子核大到一定程度。原子核大到一定程度,核力不足以平衡它们之间的库仑力核力不足以平衡它们之间的库仑力,原原子核就不稳定了。子核就不稳定了。(3)(3)。在宇宙演化过程中。在宇宙演化过程中,只有稳定的原子核长久地留了下来只有稳定的原子核长久地留了下来,不稳不稳定的就瓦解了。定的就瓦解了。三、三、结合能和合能和质量量亏亏损1.1.结合能和比合能和比结合能合能:(1)(1)结合能合能:原子核是核子凭借核力原子核是核子凭借核力结合在一起构成的合在一起构成的,要把它要把它们分分开也需要开也需要_,_,这就是原子核的就是原子核的结合能。合能。(2)(2)比比结合能合能(平均平均结合能合能):):原子核的原子核的结合能与合能与_之比称之比称为比比结合能。比合能。比结合能合能_,_,原子核中核子原子核中核子结合得越牢固合得越牢固,原子核越原子核越稳定定,_,_的核的比的核的比结合能最大、最合能最大、最稳定。定。能量能量核子数核子数越大越大中等大小中等大小2.2.质量量亏亏损:(1)(1)爱因斯坦因斯坦质能方程能方程_。(2)(2)质量量亏亏损:原子核的原子核的质量量_组成它的核子的成它的核子的质量之和的量之和的现象。象。(3)(3)核子在核子在结合成原子核合成原子核时出出现的的质量量亏亏损mm,与它与它们在互相在互相结合合过程中放出的能量程中放出的能量EE的关系是的关系是_。E=mcE=mc2 2小于小于E=mE=mc c2 23.3.比比结合能合能应用前景用前景:(1)(1)中等大小的核的比中等大小的核的比结合能合能_,_,这些核最些核最稳定。定。(2)(2)使使较重的核分裂成中等大小的核重的核分裂成中等大小的核,或者把或者把较小的核合并成中等小的核合并成中等大小的核大小的核,都将都将_新的新的结合能。合能。最大最大释放放【判一判判一判】(1)(1)组成原子核的核子越多成原子核的核子越多,它的它的结合能就越高。合能就越高。()(2)(2)结合能越大合能越大,核子核子结合得越牢固合得越牢固,原子越原子越稳定。定。()(3)(3)质量量亏亏损表明表明,的确存在着原子核的的确存在着原子核的结合能。合能。()提示提示:(1)(1)。原子核凭核力结合在一起。原子核凭核力结合在一起,组成原子核的核子越多组成原子核的核子越多,它的它的结合能就越高。结合能就越高。(2)(2)。比结合能越大。比结合能越大,核子结合得越牢固核子结合得越牢固,原子越稳定原子越稳定,而不是结合能。而不是结合能。(3)(3)。质量亏损表明。质量亏损表明,的确存在着原子核的结合能。的确存在着原子核的结合能。一、根据核力的性一、根据核力的性质解解释原子核的原子核的稳定性定性思考探究思考探究:如如图为3 3H H和和3 3HeHe的原子核的原子核结构示意构示意图。(1)(1)核子之核子之间都有相互作用的核力都有相互作用的核力,说明核力与明核力与电荷有什么关系荷有什么关系?(2)(2)质子之子之间除了核力外除了核力外还有什么作用力有什么作用力?提示提示:(1)(1)说明核力与电荷无关。说明核力与电荷无关。(2)(2)质子之间除了核力外还有库仑力。质子之间除了核力外还有库仑力。【归纳总结】1.1.核力的性核力的性质:(1)(1)核力是四种相互作用中的核力是四种相互作用中的强强相互作用相互作用(强强力力)的一种表的一种表现。(2)(2)核力是短程力。核力是短程力。约在在1010-15-15m m数量数量级时起作用起作用,距离大于距离大于0.80.81010-15-15m m时为引力引力,距离小于距离小于0.80.81010-15-15m m时为斥力斥力,距离距离为10101010-15-15m m时核力几乎消核力几乎消失。失。(3)(3)核力具有核力具有饱和性。核子只和性。核子只对相相邻的少数核子的少数核子产生生较强强的引力的引力,而不而不是与核内所有核子是与核内所有核子发生作用。生作用。(4)(4)核力具有核力具有电荷无关性。核力与核子荷无关性。核力与核子电荷无关。荷无关。2.2.原子核中原子核中质子与中子的比例关系子与中子的比例关系:(1)(1)较轻的原子核的原子核质子数与中子数大致相等子数与中子数大致相等,但但对于于较重的原子核中子重的原子核中子数大于数大于质子数子数,越重的原子核越重的原子核,两者相差越多。两者相差越多。(2)(2)形成原因形成原因:若若质子与中子成子与中子成对地人工构建原子核地人工构建原子核,随原子核的增大随原子核的增大,核子核子间的距的距离增大离增大,核力和核力和电磁力都会减小磁力都会减小,但核力减小得更快。所以当原子核增但核力减小得更快。所以当原子核增大到一定程度大到一定程度时,相距相距较远的的质子子间的核力不足以平衡它的核力不足以平衡它们之之间的的库仑力力,这个原子核就不个原子核就不稳定了。定了。若只增加中子若只增加中子,因因为中子与其他核子没有中子与其他核子没有库仑斥力斥力,但有相互吸引的但有相互吸引的核力核力,所以有助于所以有助于维系原子核的系原子核的稳定定,所以所以稳定的重原子核中子数要比定的重原子核中子数要比质子数多。子数多。由于核力的作用范由于核力的作用范围是有限的是有限的,以及核力的以及核力的饱和性和性,若再增大原子核若再增大原子核,一些核子一些核子间的距离会大到其的距离会大到其间根本没有核力的作用根本没有核力的作用,这时候再增加中候再增加中子子,形成的核也一定是不形成的核也一定是不稳定的。定的。【特特别提醒提醒】(1)(1)核力表核力表现方面方面:核力并不只是引力核力并不只是引力,当距离小于当距离小于0.80.81010-15-15m m时,表表现为斥力斥力,核子不会融合在一起。核子不会融合在一起。(2)(2)原子核的原子核的质子数与中子数方面子数与中子数方面:较轻的原子核的原子核,质子数与中子数差不子数与中子数差不多多,较重的原子核中子数大于重的原子核中子数大于质子数。子数。【典例示范典例示范】关于原子核中关于原子核中质子和中子的子和中子的说法法,正确的是正确的是()A.A.原子核中原子核中质子数和中子数一定相等子数和中子数一定相等B.B.稳定的重原子核里定的重原子核里,质子数比中子数多子数比中子数多C.C.原子核都是非常原子核都是非常稳定的定的D.D.由于核力的作用范由于核力的作用范围是有限的是有限的,核力具有核力具有饱和性和性,不可能无不可能无节制地增制地增大原子核而仍大原子核而仍稳定存在定存在【解解题探究探究】(1)(1)原子核内的原子核内的质子数与中子数的分配比例是怎子数与中子数的分配比例是怎样的的?提示提示:轻核中质子数与中子数大致相等轻核中质子数与中子数大致相等,重核中中子数大于质子数。重核中中子数大于质子数。(2)(2)原子核能否无原子核能否无节制地增大制地增大?提示提示:不能。由于核力的作用范围是有限的不能。由于核力的作用范围是有限的,以及核力的饱和性以及核力的饱和性,原子核原子核内的核子越多内的核子越多,原子核越不稳定。原子核越不稳定。【正确解答正确解答】选选D D。由稳定核的质子数与中子数的关系图像可知。由稳定核的质子数与中子数的关系图像可知,质量质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多越大的原子核内中子数比质子数多得越多,故故A A、B B错误错误;原子核可以发原子核可以发生衰变生衰变,故故C C错误错误;由核力作用特点可知由核力作用特点可知,核子数越多的原子核越不稳定核子数越多的原子核越不稳定,故故D D正确。正确。【过关关训练】1.(20151.(2015石家庄高二石家庄高二检测)关于核力的关于核力的说法正确的是法正确的是()A.A.核力同万有引力没有区核力同万有引力没有区别,都是物体都是物体间的作用的作用B.B.核力就是核力就是电磁力磁力C.C.核力是短程力核力是短程力,作用范作用范围在在1.51.51010-15-15m m之内之内D.D.核力与核力与电荷有关荷有关【解析解析】选选C C。核力是短程力。核力是短程力,超过超过1.51.51010-15-15m,m,核力急剧下降几乎消核力急剧下降几乎消失失,故选项故选项C C正确正确;核力与万有引力、电磁力不同核力与万有引力、电磁力不同,故选项故选项A A、B B错误错误;核核力与电荷无关力与电荷无关,故选项故选项D D错误。错误。2.2.对原子核的原子核的组成成,下列下列说法正确的是法正确的是()A.A.核力可使一些中子核力可使一些中子组成原子核成原子核B.B.核力可使非常多的核力可使非常多的质子子组成原子核成原子核C.C.不存在只有不存在只有质子的原子核子的原子核D.D.质量量较大的原子核内一定有中子大的原子核内一定有中子【解析解析】选选D D。由于原子核带正电。由于原子核带正电,不存在只有中子的原子核不存在只有中子的原子核,但核力但核力也不能把非常多的质子聚集在一起组成原子核也不能把非常多的质子聚集在一起组成原子核,原因是核力是短程力原因是核力是短程力,质子之间还存在质子之间还存在“长程力长程力”库仑力库仑力,A,A、B B错误错误;自然界中存在只有自然界中存在只有一个质子的原子核一个质子的原子核,如如 ,C,C错误错误;较大质量的原子核内只有存在一些较大质量的原子核内只有存在一些中子中子,才能削弱库仑力才能削弱库仑力,维系原子核的稳定维系原子核的稳定,故故D D正确。正确。【补偿训练】1.1.下列下列说法正确的是法正确的是()A.A.质子数与中子数相等的原子核最子数与中子数相等的原子核最稳定定B.B.若两个核子若两个核子间的距离的距离为1.21.21010-15-15m,m,则它它们间的核力表的核力表现为引力引力C.C.两个核子两个核子间的核力一定的核力一定为引力引力D.D.两个两个质子子间的核力与的核力与库仑力一定是一力一定是一对平衡力平衡力【解析解析】选选B B。中等质量的原子核最稳定。中等质量的原子核最稳定,但这些原子核内的质子数但这些原子核内的质子数和中子数不一定相等和中子数不一定相等,A,A错误错误;两个核子间的距离两个核子间的距离0.80.81010-15-15mr1.5mr1.51010-15-15m m时表现为引力时表现为引力,r0.8,r0.81010-15-15m m时表现为斥力时表现为斥力,B,B正确正确,C,C错误。一错误。一个质子可以受到多个质子对它的库仑力作用个质子可以受到多个质子对它的库仑力作用,而核力只发生在相邻的而核力只发生在相邻的核子间核子间,两个质子间的核力与库仑力不一定形成平衡力两个质子间的核力与库仑力不一定形成平衡力,D,D错误。错误。2.(2.(多多选)核力的特点是核力的特点是()A.A.核力是一种核力是一种强强相互作用相互作用B.B.核力是一种核力是一种长程力程力,任意两个核子任意两个核子间都存在核力都存在核力C.C.核力只核力只发生在生在质子之子之间或或质子和中子子和中子间,中子中子间不存在核力不存在核力D.D.核力具有核力具有饱和性和性【解析解析】选选A A、D D。核力是一种强相互作用。核力是一种强相互作用,A,A正确正确;但是核力是一种短但是核力是一种短程力程力,仅仅存在于相邻的核子之间仅仅存在于相邻的核子之间,相邻的核子可以是质子和质子相邻的核子可以是质子和质子,也也可以是质子和中子可以是质子和中子,还可以是中子和中子还可以是中子和中子,因此因此B B、C C错误错误,D,D正确。正确。【规律方法律方法】记忆核力特点技巧核力特点技巧(1)(1)核子既包括核子既包括质子也包括中子子也包括中子,质子子带电中子不中子不带电,所以核力与所以核力与电荷荷无关。无关。(2)(2)原子核非常小原子核非常小,所以核力属于短程力。所以核力属于短程力。(3)(3)质子子间是是库仑斥力斥力,核力比核力比库仑力大得多力大得多,属于属于强强相互作用力。相互作用力。二、二、结合能与原子核的合能与原子核的稳定性定性思考探究思考探究:如如图所示所示为原子核的比原子核的比结合能示意合能示意图。(1)(1)比比结合能最小的是什么原子核合能最小的是什么原子核?说明什么明什么问题?(2)(2)随着随着质量数的增加量数的增加,比比结合能曲合能曲线整体上有什么整体上有什么变化化规律律?提示提示:(1)(1)是氘原子核是氘原子核,说明氘原子核不稳定。说明氘原子核不稳定。(2)(2)随着质量数的增加随着质量数的增加,比结合能曲线整体上先增大再减小比结合能曲线整体上先增大再减小,中等大小中等大小核的比结合能最大最稳定。核的比结合能最大最稳定。【归纳总结】1.1.结合能合能:要把原子核分开成核子要把原子核分开成核子时吸收的能量或核子吸收的能量或核子结合成原子核合成原子核时放出的能量。放出的能量。2.2.比比结合能合能:等于原子核的等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比合能与原子核中核子个数的比值,它反映它反映了原子核的了原子核的稳定程度。定程度。3.3.比比结合能曲合能曲线:不同原子核的比不同原子核的比结合能随合能随质量数量数变化化图线如如图所所示。示。从从图中可看出中可看出,中等中等质量原子核的比量原子核的比结合能最大合能最大,轻核和重核的比核和重核的比结合合能都比中等能都比中等质量的原子核要小。量的原子核要小。4.4.比比结合能与原子核合能与原子核稳定的关系定的关系:(1)(1)比比结合能的大小能合能的大小能够反映原子核的反映原子核的稳定程度定程度,比比结合能越大合能越大,原子核原子核就越就越难拆开拆开,表示表示该原子核就越原子核就越稳定。定。(2)(2)核子数核子数较小的小的轻核与核子数核与核子数较大的重核大的重核,比比结合能都比合能都比较小小,表示原表示原子核不太子核不太稳定定;中等核子数的原子核中等核子数的原子核,比比结合能合能较大大,表示原子核表示原子核较稳定。定。(3)(3)当比当比结合能合能较小的原子核小的原子核转化成比化成比结合能合能较大的原子核大的原子核时,就可能就可能释放核能。例如放核能。例如,一个核子数一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的大的重核分裂成两个核子数小一些的核核,或者两个核子数很小的或者两个核子数很小的轻核核结合成一个核子数大一些的核合成一个核子数大一些的核,都能都能释放出巨大的核能。放出巨大的核能。【特特别提醒提醒】(1)(1)原子核的原子核的稳定性方面定性方面:不是不是结合能而是比合能而是比结合能越大原子核越合能越大原子核越稳定。定。(2)(2)核的大小与原子核核的大小与原子核稳定的关系方面定的关系方面:中等大小核的比中等大小核的比结合能最大、合能最大、原子核最原子核最稳定。定。【典例示范典例示范】(多多选)对结合能、比合能、比结合能的合能的认识,下列下列说法正确的法正确的是是()A.A.核子核子结合合为原子核原子核时,一定一定释放能量放能量B.B.核子核子结合合为原子核原子核时,可能吸收能量可能吸收能量C.C.结合能越大的原子核越合能越大的原子核越稳定定D.D.比比结合能越大的原子核越合能越大的原子核越稳定定【解解题探究探究】(1)(1)核子核子结合成原子核合成原子核时是放出能量是放出能量还是吸收能量是吸收能量?提示提示:释放能量。因为核子结合成原子核时释放能量。因为核子结合成原子核时,核力做正功核力做正功,原子核将向外原子核将向外释放能量。释放能量。(2)(2)结合能越大合能越大,原子核越原子核越稳定定吗?提示提示:不一定。比结合能反映原子核的稳定程度不一定。比结合能反映原子核的稳定程度,即比结合能越大即比结合能越大,原子原子核越稳定。核越稳定。【正确解答正确解答】选选A A、D D。由自由核子结合成原子核的过程中。由自由核子结合成原子核的过程中,核力做正核力做正功功,释放出能量。反之释放出能量。反之,将原子核分开变为自由核子将原子核分开变为自由核子,它需要吸收相应它需要吸收相应的能量的能量,该能量即为结合能该能量即为结合能,故故A A正确正确,B,B错误错误;对核子较多的原子核的结对核子较多的原子核的结合能越大合能越大,但它的比结合能不一定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比结合能的大小反映了原子核的稳定性稳定性,故故C C错误错误,D,D正确。正确。【过关关训练】1.1.如如图所示是原子核的平均核子所示是原子核的平均核子质量量A A与与原子序数原子序数Z Z的关系的关系图像像,下列下列说法正确的法正确的是是()A.A.若若D D、E E能能结合成合成F,F,结合合过程一定要程一定要释放能量放能量B.B.若若D D、E E能能结合成合成F,F,结合合过程一定要吸收能量程一定要吸收能量C.C.若若C C、B B能能结合成合成A,A,结合合过程一定要程一定要释放能量放能量D.D.若若F F、C C能能结合成合成B,B,结合合过程一定要程一定要释放能量放能量【解析解析】选选A A。D D、E E平均核子质量大于平均核子质量大于F F平均核子质量平均核子质量,D,D、E E结合成结合成F,F,出现质量亏损出现质量亏损,要释放能量要释放能量,A,A对对B B错错,C,C、B B结合成结合成A,FA,F、C C结合成结合成B B都是质都是质量增加量增加,结合过程要吸收能量结合过程要吸收能量,C,C、D D错。错。2.2.一个中子与某原子核一个中子与某原子核发生核反生核反应,生成一个生成一个氘核核,其核反其核反应方程式方程式为。该反反应放出的能量放出的能量为Q,Q,则氘核的比核的比结合能合能为。【解析解析】方程式方程式：核子结合成原子核要放出能量核子结合成原子核要放出能量,这个能量叫原子核的结合能。它的这个能量叫原子核的结合能。它的结合能与核子数之比结合能与核子数之比,称作比结合能称作比结合能,由题意知氘核的核子数为由题意知氘核的核子数为2,2,所以比结合能为所以比结合能为 答案答案:【补偿训练】1.(1.(多多选)某种原子序数大于某种原子序数大于9090的原子核不的原子核不稳定定,分裂成三个分裂成三个质量量较小的小的新核和某种射新核和某种射线,关于关于该分解分解过程正确的是程正确的是()A.A.一定放出能量一定放出能量B.B.新核的比新核的比结合能更小合能更小C.C.放出的射放出的射线可能可能为X X射射线D.D.若放出的射若放出的射线为射射线,则分解分解过程中存在弱相互作用程中存在弱相互作用【解析解析】选选A A、D D。分裂后的原子核的质量数比分裂前小。分裂后的原子核的质量数比分裂前小,所以比结合所以比结合能增大能增大,一定放出能量一定放出能量,A,A正确正确,B,B错误错误;放出的射线只可能是放出的射线只可能是、中的某一种中的某一种,不可能是不可能是X X射线射线,C,C错误错误;射线是中子转化为质子时产生射线是中子转化为质子时产生的的,而弱相互作用就是在中子转化为质子时起作用而弱相互作用就是在中子转化为质子时起作用,故故D D正确。正确。2.2.下列下列说法正确的是法正确的是()A.A.两个两个结合能小的原子核合能小的原子核结合成一个合成一个结合能大的原子核一定要吸收能合能大的原子核一定要吸收能量量B.B.比比结合能就是原子核的能量与核子数的比合能就是原子核的能量与核子数的比C.C.比比结合能就是两种原子核的合能就是两种原子核的结合能之比合能之比D.D.铁元素的比元素的比结合能大于合能大于氢元素的比元素的比结合能合能【解析解析】选选D D。吸收或放出能量取决于比结合能大小。吸收或放出能量取决于比结合能大小,与结合能大小无与结合能大小无关关,两个轻核结合成一个较大质量的核要放出能量两个轻核结合成一个较大质量的核要放出能量,A,A错误错误;比结合能是比结合能是结合能与核子数之比结合能与核子数之比,B,B、C C均错误均错误;中等质量的铁核的比结合能远大于中等质量的铁核的比结合能远大于氢核的比结合能氢核的比结合能,D,D正确。正确。【规律方法律方法】结合能的合能的应用技巧用技巧(1)(1)组成原子核的核子越多成原子核的核子越多,结合能越高。合能越高。(2)(2)结合能与核子个数之比称作比合能与核子个数之比称作比结合能合能,比比结合能越大原子核越合能越大原子核越稳定。定。(3)(3)结合能通常只用在原子核中。合能通常只用在原子核中。三、三、质量量亏亏损与与质能方程能方程思考探究思考探究:如如图所示是原子核所示是原子核转变示意示意图。(1)(1)在核反在核反应过程中遵循什么程中遵循什么规律律?(2)(2)核反核反应过程中程中质量守恒量守恒吗?提示提示:(1)(1)在核反应过程中遵循质量数守恒、电荷数守恒。在核反应过程中遵循质量数守恒、电荷数守恒。(2)(2)核反应过程中质量不守恒核反应过程中质量不守恒,会发生质量损亏。会发生质量损亏。【归纳总结】1.1.质量量亏亏损:所所谓质量量亏亏损,并不是并不是质量消失量消失,减少的减少的质量在核子量在核子结合成合成核的核的过程中以能量的形式程中以能量的形式辐射出去了。反射出去了。反过来来,把原子核分裂成核子把原子核分裂成核子,总质量要增加量要增加,总能量也要增加能量也要增加,增加的能量要由外部供增加的能量要由外部供给。总之之,物体物体的能量和的能量和质量之量之间存在着密切的存在着密切的联系系,它它们之之间的关系就是的关系就是E=mcE=mc2 2。2.2.质能方程能方程E=mcE=mc2 2:(1)(1)质能方程能方程说明明,一定的一定的质量量总是跟一定的能量相是跟一定的能量相联系的。具体地系的。具体地说,一定一定质量的物体所具有的量的物体所具有的总能量是一定的能量是一定的,等于光速的平方与其等于光速的平方与其质量量之之积,这里所里所说的的总能量能量,不是不是单指物体的指物体的动能、核能或其他哪一种能能、核能或其他哪一种能量量,而是物体所具有的各种能量的而是物体所具有的各种能量的总和。和。(2)(2)根据根据质能方程能方程,物体的物体的总能量与其能量与其质量成正比。物体量成正比。物体质量增加量增加,则总能量随之增加能量随之增加;质量减少量减少,总能量也随之减少能量也随之减少,这时质能方程也写作能方程也写作E=mcE=mc2 2。(3)(3)质能方程的本能方程的本质:质量或能量是物量或能量是物质的属性之一的属性之一,决不能把物决不能把物质和它和它们的某一属性的某一属性(质量和能量量和能量)等同起来等同起来;质能方程揭示了能方程揭示了质量和能量的不可分割性量和能量的不可分割性,方程建立了方程建立了这两个属性两个属性在数在数值上的关系上的关系,这两个量分两个量分别遵守遵守质量守恒和能量守恒量守恒和能量守恒,质量和能量量和能量在数在数值上的上的联系决不等于系决不等于这两个量可以相互两个量可以相互转化化;质量量亏亏损不是否定了不是否定了质量守恒定律。根据量守恒定律。根据爱因斯坦的相因斯坦的相对论,辐射射出的出的光子静光子静质量量虽然然为零零,但它有但它有动质量量,而且而且这个个动质量量刚好等于好等于亏亏损的的质量量,所以所以质量守恒、能量守恒仍成立。量守恒、能量守恒仍成立。3.3.核能的核能的计算方法算方法:根据根据质量量亏亏损计算算:(1)(1)根据核反根据核反应方程方程,计算核反算核反应前和核反前和核反应后的后的质量量亏亏损mm。(2)(2)根据根据爱因斯坦因斯坦质能方程能方程E=mcE=mc2 2计算核能。算核能。其中其中mm的的单位是千克位是千克,E,E的的单位是焦耳。位是焦耳。(3)(3)根据能量守恒和根据能量守恒和动量守恒来量守恒来计算核能。参与核反算核能。参与核反应的粒子所的粒子所组成的成的系系统,在核反在核反应过程中的程中的动量和能量是守恒的量和能量是守恒的,因此因此,利用利用动量和能量守量和能量守恒可以恒可以计算出核能的算出核能的变化。化。(4)(4)利用平均利用平均结合能来合能来计算核能。原子核的算核能。原子核的结合能合能=核子的平均核子的平均结合能合能核子数。核反核子数。核反应中反中反应前系前系统内所有原子核的内所有原子核的总结合能与反合能与反应后生后生成的所有新核的成的所有新核的总结合能之差合能之差,就是就是该次核反次核反应所所释放放(或吸收或吸收)的核能。的核能。4.4.判断核反判断核反应过程是程是释放能量放能量还是吸收能量的方法是吸收能量的方法:(1)(1)根据反根据反应前后前后质量的量的变化情况化情况进行判断行判断,若若质量减少即量减少即发生了生了质量量亏亏损,则释放能量放能量;若若质量增加量增加,则吸收能量。吸收能量。(2)(2)根据根据动能能变化判断化判断,若不吸收光子而若不吸收光子而动能增加能增加则放出能量。放出能量。【特特别提醒提醒】(1)(1)质量量亏亏损时核子的个数方面核子的个数方面:质量量亏亏损也不是核子个数的减少也不是核子个数的减少,核反核反应中核子个数是不中核子个数是不变的。的。(2)(2)质量与能量的关系方面量与能量的关系方面:爱因斯坦因斯坦质能方程能方程说明了明了质量和能量量和能量这两两个物理量个物理量间的的对应关系关系,说明有明有质量就有能量量就有能量,并不是并不是说质量量转化化为能能量。量。【典例示范典例示范】用中子用中子轰击锂核核()发生核反生核反应,生成生成氚核核()()和另外一个粒子和另外一个粒子,并放出并放出4.8MeV4.8MeV的能量。的能量。(1)(1)写出核反写出核反应方程。方程。(2)(2)求出求出质量量亏亏损。【解解题探究探究】(1)(1)如何确定另一个粒子的种如何确定另一个粒子的种类和和质量数量数?提示提示:利用电荷数守恒确定粒子的种类利用电荷数守恒确定粒子的种类,利用质量数守恒确定粒子的质利用质量数守恒确定粒子的质量数。量数。(2)(2)计算核能算核能时,能量能量单位有哪两种取位有哪两种取值方法方法?提示提示:根据爱因斯坦质能方程根据爱因斯坦质能方程E=E=mcmc2 2计算核能时计算核能时,m m的单位是千克的单位是千克,E E的单位是焦耳的单位是焦耳;利用原子质量单位利用原子质量单位u u和电子伏特计算核能时和电子伏特计算核能时,E=E=m m931.5MeV,931.5MeV,其中其中m m的单位是的单位是u,u,E E的单位是的单位是MeVMeV。【正确解答正确解答】(1)(1)利用电荷数守恒可得粒子的电荷数为利用电荷数守恒可得粒子的电荷数为2,2,利用质量数利用质量数守恒可得粒子的质量数为守恒可得粒子的质量数为4,4,所以粒子为氦原子核所以粒子为氦原子核,核反应方程为核反应方程为:(2)(2)依据依据E=mE=m931.5MeV931.5MeV得得m=0.0052um=0.0052u答案答案:(1)(1)(2)0.0052u(2)0.0052u【过关关训练】1.(20151.(2015江江苏高考高考)取取质子的子的质量量m mp p=1.672 6=1.672 61010-27-27kg,kg,中子的中子的质量量m mn n=1.674 9=1.674 91010-27-27kg,kg,粒子的粒子的质量量m m=6.646 7=6.646 71010-27-27kg,kg,光速光速c=3.0c=3.010108 8m/sm/s。请计算算粒子的粒子的结合能。合能。(计算算结果保留两位有效数果保留两位有效数字字)【解析解析】粒子由两个质子和两个中子组成粒子由两个质子和两个中子组成,根据爱因斯坦质能方程根据爱因斯坦质能方程E=E=mcmc2 2,可求可求:E=(2mE=(2mp p+2m+2mn n-m-m)c)c2 2=4.3=4.31010-12-12J J。答案答案:4.34.31010-12-12J J2.2.三个三个粒子粒子结合成一个碳合成一个碳 ,已知碳原子的已知碳原子的质量量为12.0000u,12.0000u,氦原氦原子的子的质量量为4.0026u4.0026u。(1u=1.66(1u=1.661010-27-27kg)kg)(1)(1)写出核反写出核反应的方程的方程;(2)(2)这个核反个核反应放出的能量是多少焦放出的能量是多少焦?(3)(3)这个能量合多少个能量合多少MeVMeV?【解析解析】(1)(1)(2)m=3(2)m=34.0026u-12.0000u=0.0078u4.0026u-12.0000u=0.0078um=0.0078m=0.00781.661.661010-27-27kg=1.2948kg=1.29481010-29-29kgkgE=mcE=mc2 21.1651.1651010-12-12J J(3)E=7.28(3)E=7.2810106 6eV=7.28MeVeV=7.28MeV答案答案:(1)(1)(2)1.165(2)1.1651010-12-12J J(3)7.28MeV(3)7.28MeV【补偿训练】1.1.雷蒙德雷蒙德戴戴维斯因研究来自太阳的斯因研究来自太阳的电子中微子子中微子(e e)而而获得了得了20022002年度年度诺贝尔尔物理学物理学奖,他探他探测中微子所用的探中微子所用的探测器的主体是一个器的主体是一个储满615t615t四四氯乙乙烯(C(C2 2CLCL4 4)溶液的巨桶溶液的巨桶,电子中微子可以将一个子中微子可以将一个氯核核转变为一个一个氩核核,其核反其核反应方程式方程式为 ,已知已知 核的核的质量量为36.956 36.956 58 u,58 u,核的核的质量量为36.95691u,36.95691u,的的质量量为0.00055u,0.00055u,1u1u质量量对应的能量的能量为931.5MeV931.5MeV。根据以上数据。根据以上数据,试计算参与上述反算参与上述反应的的电子中微子的最小能量。子中微子的最小能量。【解析解析】在核反应过程中出现了质量盈余在核反应过程中出现了质量盈余,即即m=mm=mArAr+m+me e-m-mClCl=(36.95691+0.00055-36.95658)u=0.00088u=(36.95691+0.00055-36.95658)u=0.00088u。电子中微子的最小能量为电子中微子的最小能量为E=mE=m931.5MeV=0.00088931.5MeV=0.00088931.5MeV=0.82MeV931.5MeV=0.82MeV。答案答案:0.82MeV0.82MeV【规律方法律方法】核能的两种核能的两种单位位换算技巧算技巧(1)(1)若以若以kgkg为质量量亏亏损mm的的单位位,则计算算时应用公式用公式E=mcE=mc2 2。(2)(2)若以原子若以原子单位位“u u”为质量量亏亏损单位位,则E=mE=m931.5MeV931.5MeV。(3)(3)两种方法两种方法计算的核能的算的核能的单位分位分别为“J J”和和“MeVMeV”,1MeV=11MeV=110106 61.61.61010-19-19J=1.6J=1.61010-13-13J J【拓展例拓展例题】考考查内容内容:对质能方程的理解能方程的理解【典例示范典例示范】(多多选)关于关于质能方程能方程,下列下列说法中正确的是法中正确的是()A.A.质量减少量减少,能量就会增加能量就会增加,在一定条件下在一定条件下质量量转化化为能量能量B.B.物体物体获得一定的能量得一定的能量,它的它的质量也相量也相应地增加一定地增加一定值C.C.物体一定有物体一定有质量量,但不一定有能量但不一定有能量,所以所以质能方程能方程仅是某种特殊条件是某种特殊条件下的数量关系下的数量关系D.D.某一定量的某一定量的质量量总是与一定量的能量相是与一定量的能量相联系的系的【正确解答正确解答】选选B B、D D。质能方程。质能方程E=mcE=mc2 2表明某一定量的质量与一定量表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的的能量是相联系的,能量增加某一定值时能量增加某一定值时,它的质量也相应地增加一定它的质量也相应地增加一定值值,并可根据并可根据E=mcE=mc2 2进行计算进行计算,所以所以B B、D D正确。正确。