2019高中物理 第3章 原子核 原子能、粒子、宇宙学案 教科版选修3-5.doc

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1、1原子能、粒子、宇宙原子能、粒子、宇宙【学习目标学习目标】 1知道核力是只存在于相邻核子间的短程力； 2掌握结合能与质量亏损； 3理解爱因斯坦的质能方程； 4知道重核裂变能放出能量，并能计算核能的变化，知道链式反应； 5知道什么是聚变； 6了解铀核的裂变特点； 7了解核裂变反应堆的工作原理； 8知道聚变和聚变反应的特点； 9能写出聚变方程并计算聚变能量； 10了解可控热核反应； 11了解核电站、核武器及核能的优越性、安全性及其危害； 12了解组成物质的粒子； 13知道粒子的分类及其作用； 14了解宇宙起源的大爆炸说及恒星的演化【要点梳理要点梳理】 要点一、核力与核结合能要点一、核力与核结合能1

2、 1核反应核反应（1）核反应的定义衰变是原子核的自发变化，能否用人工方法使原子核发生变化呢？能事实上质子、中子都是通 过原子核的人工转变而发现的我们把原子核在其他粒子轰击下产生新原子核的过程，称为核反应（2）对核反应的理解 原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应原子核的人工转变，就是一种 核反应和衰变过程一样，在核反应中，质量数和核电荷数都守恒衰变是自发的、不受物理条件 和化学条件影响的一种核变化而原子核的人工转变需要一定的装置和条件才能发生 2 2原子核的人工转变原子核的人工转变（1）质子的发现及核反应方程1919 年，卢瑟福用粒子轰击氮原子核，粒子被氮核俘获后形成复核，再衰

3、变，产生质子 核反应方程为：144171 7281NHeOH（2）中子的发现及核反应方程1932 年，英国的物理学家查德威克对这种不知道的射线进行进一步的研究发现：这种射线的速 度不到光速的十分之一，排除了射线之后他用这种射线轰击氢原子和氮原子，结果打出一些氢核 和氮核，并通过测定和计算，发现这种粒子的质量非常接近氢核的质量，由于它不带电，故称之为中 子 核反应方程为：94121 4260BeHeCn由于能从许多的原子核里打出中子，因而确认中子是组成原子核的一部分 3 3核力核力原子核由质子和中子组成，中子和质子是靠强大的核力结合在一起的2（1）核力：原子核内部，核子间所特有的相互作用力（2）

4、核力的特点：核力是强相互作用力，在它的作用范围内核力比库仑力大得多；核力是短程力，作用范围在151.5 10m之内在大于150.8 10m时核力表现为引力，超过151.5 10m时核力急剧下降几乎消失在小于150.8 10m时核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起；每个核子只跟相邻的核子发生核力作用这种性质称为核力的饱和性无论是质子间、中子间、质子和中子间均存在核力（3）自然界中的四种基本相互作用力： 万有引力；电磁力；强相互作用力；弱相互作用力 4 4核结合能核结合能 由于核子间存在着巨大的核力作用，所以原子核是一个坚固的集体要把原子核拆散成核子，需 要克服核力做巨大的功，需要巨大的能量一个

5、氘核被拆成一个中子和一个质子时，需要能量等于或大于2.2 MeV的光子照射核反应方程为：211 110HHn相反的过程，当一个中子和一个质子结合成一个氘核时会释放出2.2 MeV的能量这个能量以 光子的形式辐射出去核反应方程为：112 101HnH由于核力的存在，核子结合成原子核时要放出一定的能量，原子核分解成核子时，要吸收同样多 的能量核反应中放出或吸收的能量称为核结合能 平均结合能（又叫比结合能）：原子核的结合能与核子数之比平均结合能越大，表示原子核中核 子结合得越牢固原子核越稳定 5 5质量亏损质量亏损 由于核力的本质还在研究之中，所以根据核力做功来求核能是不可能的但物理学家却有办法求

6、出核能物理学家们研究了质子、中子和氘核之间的质量关系，发现氘核虽然是由一个中子和一个质 子组成的，但氘核的质量要比中子和质子的质量之和要小一些我们把组成原子核的核子的质量与原 子核的质量之差叫做核的质量亏损根据质量亏损可以计算核能 6 6质能方程质能方程（1）质能方程：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是2Emc 或 2Emc 这就是著名的爱因斯坦质能联系方程，简称质能方程方程的含义是：物体具有的能量与它的质 量之间存在着简单的正比关系物体的能量增大质量也增大，能量减小质量也减小（2）对质量亏损和质能方程的理解：在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒的规律核反应中

7、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另外，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7 7核能的计算方法核能的计算方法核能的计算是原子物理的重要方面和高考的热点问题，其基本方法是：（1）根据质量亏损计算，步骤如下：根据核反应方程，计算核反应前和核反应后的质量亏损m根据爱因斯坦质能方程32Emc或2Emc 计算核能计算过程中m的单位是千克，E的单位是焦耳（2）利用原子质量单位u和电子伏特计算明确原子单位u和电子伏特间的关系 由271 u1.6606 10kg，1

8、91 eV1.6 10J得2931.5 MeVEmc根据1原子质量单位（u）相当于931.5 MeV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931.5 MeV，即931.5 MeVEm 上式中，m的单位是u，E的单位是MeV（3）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（4）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，在题给条件中 没有涉及质量亏损，或者核反应所释放的核能全部转化为生

9、成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下， 从动量和能量守恒可以计算出核能的变化（5）应用阿伏加德罗常数计算核能若要计算具有宏观质量的物质中所有原子核都发生核反应所放出的总能量，应用阿伏加德罗常数 计算核能较为简便根据物体的质量m和摩尔质量M由mnM求出物质的量，并求出原子核的个数：AAmNN nNM由题设条件求出一个原子核与另一个原子核反应放出或吸收的能量0E（或直接从题目中找出0E） 再根据0ENE求出总能量8 8衰变过程中核能的计算衰变过程中核能的计算衰变能是不稳定原子核在进行衰变时放出来的能量，由质能方程，可以从衰变前后的质量亏损求 出衰变能，也可根据直接测出衰变后产生的新原子核与粒子的动

10、能求得衰变能但是，由于衰变后原子核的质量较大，反冲动能kE较小，测量就很困难下面我们从动量守恒定律出发，找到rE和E之间的关系，只要测出E就可以知道衰变能衰变前原子核可看做静止，动量为零，于是，根据动量守恒定律有rrm vm v4粒子的速度比光速小得多，可以不考虑相对论效应，于是衰变后新原子核的反冲动能2211 22rrr rrmmEm vm vEmm 所以，041144r rmAEEEEEEmAA （A是衰变前的核的质量数） 式中，已用核的质量数之比代替核质量之比，这样做所带来的误差是很微小的所以，要得到衰变能0E，需要知道粒子的动能E9 9对原子核中质子数与中子数比例的解释对原子核中质子数

11、与中子数比例的解释原子核越大，有些核子间的距离越来越远，随着距离的增加，核力与电磁力都会减小，但核力减 小得更快所以，原子核大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们的库仑力，这个 原子核就不稳定了这时，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库仑斥 力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定由于这个原因，稳定的重原子核里，中子 数要比质子数多由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果我们继续增大原子核，一 些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定 的要点二、重核裂变及其应用要点二、重核裂变及其应用1 1

12、核子的平均质量核子的平均质量核反应有的会放出能量，有的会吸收能量，那么什么样的核反应会放出能量，这是本节需要搞清 的第一个问题也是本节的一个难点为了弄清这个问题，就必须首先理解核子的平均质量这一概 念精确的实验表明，原子核是由核子组成的，但原子核的质量却不等于所有核子质量之和也就是 说，原子核的质量虽然会随着核子数量的增加而增加，但两者并不成比例例如：氢核由一个核子 （质子）组成；氦核由四个核子（两个中子，两个质子）组成但氦核的质量却不是氢核的四倍，而 是比四倍小这样在不同的原子核中，用原子核的质量除以核子数所得到的核子的平均质量就变得不 相同了，换一个说法，也就是同样的核子在不同的原子核中质

13、量不同 进一步研究表明，中等质量的原子核的核子的平均质量较小（铁核的核子平均质量最小） ，重核 和轻核的核子平均质量大，这就为研究核反应中能量的释放建立了理论基础当重核分裂成中等质量 的原子核时，会发生质量亏损；当轻核聚合成中等质量的原子核时，也会发生质量亏损由质能方程 可知，此时核反应会放出能量 2 2重核的裂变重核的裂变铀核的裂变铀核的裂变（1）铀核裂变的发现：1938 年底，德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现 了铀核的裂变，向核能的利用迈出了第一步（2）重核裂变：使重核分裂成中等质量的原子核的核反应叫做重核的裂变（3）铀核裂变的一种核反应方程：2351141921 92

14、056360UnBaKr3 n（4）链式反应：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈 运动，使核变成不规则的形状，核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出2或3个中子这些中子又引起其他铀核裂变，这5样，裂变就会不断地进行下去 ，释放出越来越多的核能，这就叫链式反应如图所示（5）链式反应发生的条件：铀块的体积大于临界体积体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核有足够浓度的铀235有足够数量的慢中子一种链式反应的方程：2351136901 92054380UnXeSr10 nE（6）重核裂变的条件 重核

15、的裂变只能发生在人为控制的核反应中，自然界不会自发地产生如铀核裂变不能自发地进 行，要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂过程中，又会放出更多的中子，这 些中子再去轰击更多铀核，产生更多的中子，就形成了链式反应，这个反应速度很快，不加控制的话， 能量在很短的瞬间急剧释放（原子弹就是利用铀核的链式反应制造的一种威力巨大的核武器） 如果 采用其他方法对反应速度加以控制就可以和平地利用这种巨大的核能核电站就是可控的链式反应 3 3临界体积临界体积要发生核反应，就必须使中子击中铀核，而核的体积很小，那么在铀块不太大的情况下，中子通 过铀块时，没有碰到铀核而跑到铀块外，因此，要发生链式反

16、应，铀块的体积必须大于某一值，能发 生链式反应的铀块的最小体积叫它的临界体积4 4核电站与核电站的主要组成和工作原理及优点核电站与核电站的主要组成和工作原理及优点（1）核电站：原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来核电站是利用缓慢释放 的核能来发电，这是核能的和平利用，现在世界上已有不少国家建有核电站，我国已建成使用和正在 建设的核电站必将为现代化的建设提供能源保障（2）核电站的主要组成核电站的核心是核反应堆，核反应堆的主要组成部分及其作用是：核燃料：反应堆使用浓缩铀（铀235占34）制成铀棒，作为核燃料，释放核能中 子减速剂：铀235具有易俘获慢中子，不易俘获快中子的特点而核反应中

17、释放的中子多数为快中子， 应使用减速剂使它们的速度降下来常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水控制棒：为了控 制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子 能力很强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度保护层：核反应堆外层是很厚的水泥壁可 防止射线辐射出去热交换器：靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出 去反应堆是核电站的核心，核电站是靠核反应堆产生的内能（3）核电站的优点是：消耗的“燃料”很少；作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量 大；对环境污染比火电站要小5 5原子弹原子弹 原子弹是利用快中子导致链式反应而发生原子爆炸的武器

18、在裂变材料的体积大于临界体积时，6可以使增殖系数1K ，这时中子数可逐代倍增，最后引起原子爆炸对纯235U，其2K 若01N ，则到第80代时，中子数已增到802N 个，其已大到相当于1 kg铀的原子数，因此1 kg纯235U只要经过80代裂变就可以全部发生裂变若将1 kg铀做成球状，其直径不过5 cm，而快中子的速度约为712 10 m s，所以裂变进行得极其迅猛，其爆炸可在百分之一秒内完成原子弹的结构形式有许多种，一般是将两块或多块小于临界体积的235U（或238U、239Pu等）放在一个密封的弹壳内，平时这几块相隔一定的距离，所以不会爆炸使用时可通过引爆装置使它们 骤然合为一体，由于其体

19、积超过临界体积，爆炸瞬间发生6.6.为什么铀的同位素中为什么铀的同位素中235 92U最容易发生链式反应最容易发生链式反应在天然铀中，主要有两种同位素，99.3的是铀238，0.7的是铀235，中子能引起这两种 铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同235 92U：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大238 92U：只有俘获能量大于1 MeV的中子才能发生核反应，且裂变的几率小对于低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起核反应因此，为了使链式反应容易发牛，最好利用纯铀235要点三、轻核聚变及其应用要点三、轻核聚变及其应用1 1轻核的聚变轻核的聚变（1

20、）聚变把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为募变聚变反应又称为热核反应（2）聚变方程：2341 1120HHHen（3）聚变发生的条件：要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离1510m，但是原子核是带正电的，要使它们接近1510m就止须克服电荷间很大的斥力作用，这就要求使核具有足够的动能要使原子核具有足够大的动能，就要给核加热，使物质达到几百万度的高温综上所述，核聚变只有在超高温条件 下才能发生 2 2聚变与裂变的区别聚变与裂变的区别重核的裂变、轻核的聚变都能释放出巨大的核能，但两者是有区别的（1）原理不同重核的裂变是重核裂变成几个中等质量的原子核，放出能量，而聚变是几个轻

21、核聚变（结合）成 一个中等质量的原子核，放出巨大的能量（2）放出能量的大小不同重核裂变时，平均每个核子释放的能量约为1兆电子伏，而轻核的聚变，平均每个核子释放出73兆电子伏以上的能量，即聚变比裂变能放出更多的能量（3）废料处理难度不同裂变产生的废料处理起来比较困难，而热核反应的废料处理要简单得多（4） “燃料”的丰富程度不同热核反应所需要的“燃料”氘在地球上非常丰富，1升海水中大约有0 03克氘，如果用来进 行热核反应，放出的能量约和燃烧300升汽油相当而裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其是用 于核裂变的铀235，在铀矿中仅占0.7，相比起来聚变的燃料氘要丰富得多我国是一个“贫 铀”国家，贮藏量

22、不多（5）两种反应的可控制性不同裂变反应速度可以比较容易地进行人工控制，因此，现在国际上的核电站都是利用裂变放出能量， 而聚变反应的可控制性比较困难，世界上许多国家都积极研究可控热核反应的理论和技术我国可控 热核反应的研究情况是：1984 年 9 月，我国自行研制的可控热核反应实验装置“中国环流一号”顺利启动1094 年，具有国际先进水平的可控热核反应实验装置“HT-7超导托卡马克”已安装调试成 功，我国研究可控热核反应方面已经具有一定的实力3 3轻核聚变释放核能的计算方法轻核聚变释放核能的计算方法轻核聚变时释放出的能量的计算与上两节的方法基本相同，具体的仍然分为以下两种：（1）根据质量亏损计

23、算根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损（m）的千克数乘以真空中光速（83 10 m/s）的平方，即2Emc （2）根据1原子质量单位（u）相当于931.5 MeV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931.5 MeV，即931.5 MeVEm 要点诠释：要点诠释：式中m的单位为kg，式中m的单位是u，E的单位是MeV4 4聚变比裂变反应放出更多能量的原因聚变比裂变反应放出更多能量的原因（1）平均每个核子放能较多，是裂变反应的34倍如一个氚核和一个氘核结合成一个氦核时 放出能量17.6 MeV，平均每个核子放出能量约3.5 MeV；而铀235裂变时，平均每个核子

24、放出能 量为l MeV（2）同样质量的情况下，轻核的核子个数多，如氘和氚聚变为1 kg氦时放出的能量为332.65 10 eV2333 110006.02 1017.6MeV2.65 10 eV4E假设一个铀核裂变时平均放出的能量为200 MeV，则l kg铀核全部裂变时放出能量为2332 210006.02 10200MeV5 10 eV235E 125.3E E85 5热核反应的控制技术以及聚变的应用热核反应的控制技术以及聚变的应用（1）控制方法磁约束：利用强磁场来约束参加反应的物质目前性能最好的磁约束装置是环流器（又称托卡 马克） 2002 年 12 月“中国环流器二号”开始运行惯性约束

25、：利用强激光的惯性压力约束参加反应的物质目前可控制核聚变还处于基础研究阶段（2）聚变的应用核武器氢弹：是一种不需人工控制的轻核聚变反应装置它利用弹体内的原子弹爆炸产生 的高温高压引发热核聚变爆炸如果攻克了受控热核聚变的实现技术，那就可望解决全世界的“能源危机” （3）我国的两弹发展1964 年 10 月 16 日我国第一颗原子弹爆炸成功 1967 年 6 月 17 日我国的氢弹试爆成功 6为什么轻核聚变和重核裂变都会释放能量（1）可以从核子的平均结合能上看，如图从图中可以看出，铁的平均结合能最大，也就是核子结合成铁或铁附近的原子核时，每个核子平均 放出的能量大因此可知两个比铁轻的原子核结合时，

26、或比铁重的重核分裂时，都要放出能量 （2）也可以根据核子的平均质量图分析，如图，由图中可以看出，铁原子核子的平均质量最小，如果原子序数较大的A裂变成B或C，或者原子序数较小的D和E结合成F核，都会有质量亏损， 根据爱因斯坦质能方程，都要放出能量要点四、粒子与宇宙要点四、粒子与宇宙1 1 “基本粒子基本粒子”不基本不基本（1）19 世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子（2）从 20 世纪起科学家陆续发现了400多种同种类的新粒子，它们不是由质子、中子、电子组 成（3）科学家进一步发现质子、中子等本身也是复合粒子，且还有着复杂的结构9（4）粒子加速器和粒子探测器

27、是研究粒子物理的主要工具 2 2粒子的分类粒子的分类按照粒子与各种相互作用的关系，可以将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子微观粒子分类如下表所示：分类参与的相互作用发现的粒子备注强子强相互作用质子、中子、介子、超子质子是最早发现的强子强子有内部 结构轻子不参与强相互作 用电子、电子中微子、子、 子中微子，子、子中 微子无内部结构媒介 子各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子传递电磁相互作用 玻色子传递弱相互作用 胶子传递强相互作用3 3反粒子（反物质）反粒子（反物质）实验发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子例如电 子和正电子，质子和反质子等由反粒子构成的物质

28、叫反物质 反粒子（反物质）最显著的特点是当它们与相应的正粒子（物质）相遇时，会发生“湮灭” ，即 同时消失而转化成其他的粒子 4 4夸克模型夸克模型 实验表明强子是有内部结构的，1964 年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子 是由夸克构成的 5 5宇宙的演化宇宙的演化 用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期在大爆炸的瞬间（约4410s，温度为3210 K）产生夸克、轻子、胶子等粒子大爆炸后约610s，温度下降到1310 K左右，夸克构成质子和中子等强子，这个温度范围正是各种强子熙熙攘攘挤在一起的时代，称为强子时代当温度下降到

29、1110 K（210s） ，只剩下少量的夸克，而自由的光子、中微子和电子等轻子大量存在，此时代称为轻子时代当温度下降到910 K（210 s） ，少量的中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核，同时有氚核、氦3等轻核及其他轻核生成，此时称为核合成时代在3000 K左右（510 s） ，电子与原子核结合成原子，此时称为复合时代继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系 6 6恒星的演化恒星的演化大爆炸10万年后，温度下降到3000 K左右出现了由中性原子构成的宇宙尘埃由于万有引力 作用逐渐凝聚成团块，形成气态的星云团，星云团进一步凝聚收缩，使得引力势能转化为内能，温度 升高，温度升到

30、一定程度就开始发光，这样一颗恒星就诞生了这颗星继续收缩，继续升温，当温度超过710 K时，氢聚变成氦，向外辐射能量，核能耗尽后就进入末期，末期形态主要有三种：白矮星、中子星和黑洞7 7夸克理论简介夸克理论简介10夸克理论经过几十年的完善和发展，已经逐渐为多数粒子物理学家所接受根据夸克理论，夸克有6种，它们是上夸克（u） 、奇异夸克（s） 、粲夸克（c） 、下夸克（d） 、底夸克（b）和顶夸克（t） 它们带的电荷分别为元电荷的1 3或2 3到目前为止，人们已经从实验中发现了所有6种夸克及其反夸克存在的证据 夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再 是电荷的最小单元，即存在分

31、数电荷 8 8统一场论（微观粒子与宏观宇宙的统一）统一场论（微观粒子与宏观宇宙的统一）物理学向微观粒子和宇宙两个领域的研究今天得到了初步统一，统一场 论在逐渐形成物理学完整、和谐美在这里又得到了充分体现正如绪言中 所说：“物理学中研究最大和最小对象的两个分支宇宙学和粒子物理学 就奇妙地衔接在一起，犹如一条怪蟒咬住自己的尾巴 ”从上面的两个图可以看到，人类所在物质世界的空间跨度与时间跨度竞 呈现出如此的对称美要点四、单元知识网络要点四、单元知识网络11【典型例题典型例题】 类型一、核力与核结合能类型一、核力与核结合能例 1科学研究表明，自然界存在四种基本相互作用我们知道分子之间也存在相互作用的引

32、力 和斥力，那么分子力实质上属于（ ） A引力相互作用B电磁相互作用C强相互作用和弱相互作用的共同作用D四种基本相互作用的共同作用 【思路点拨】分子由原子组成，原子是由带正电的原子核和带负电的核外电子组成，分子力就是 由这些带电粒子之间相互作用引起的【答案】B【解析】分子作用范围约在1010m数量级上，强相互作用和弱相互作用都是短程力，作用范围在1510m和1810m之内，在这个距离上分子力不存在在这个范围内引力相互作用和电磁相互作用都存在，但由于电磁力远大于万有引力，引力相互作用可以忽略不计，因此分子力本质上属于电磁 相互作用 【总结升华】分子由原子组成，原子是由带正电的原子核和带负电的核外

33、电子组成，分子力就是 由这些带电粒子之间相互作用引起的，这样就很自然地揭示出分子力本质上是一种电磁相互作用举一反三举一反三: :【变式 1】激光中子是由重原子核吸收光子后发射中子而产生的，光子的极限能量大约是10 MeV假定中子从原子核上向外移开距离1310cm所受的力保持不变，则平均核力的数量级是（ ） A310NB10 N C310 N D无法计算【答案】C【解析】核力是一种很强的力，应存在于相邻的核子之间，作用范围在151.5 10m之内，由题意知：F dWE，12则619 3 13210 101.6 10N1.6 10 N1010F，故选项 C 正确【总结升华】核力是核子内特有的力，只

34、在 1015 m 范围内才有力的作用，计算时，用能量的观 点做近似的处理，可计算出核力的大小【变式 2】下面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【答案】D 【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；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，

35、其结合能比重核反而小，B、C 两项错；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 【总结升华】结合能和比结合能定义的理解是判断此题关键例 2为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将 2005 年定为“国际物理年” 对于爱因斯坦提出的质能方程2Emc，下列说法中不正确的是（ ） A2Emc表明物体具有的能量与其质量成正比B根据2Emc 可以计算核反应中释放的核能C一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损D2Emc中的E是发生核反应中释放的核能【答案】D【解析】爱因斯坦质能方程2Emc，定量地指出了物体

36、能量和质量之间的关系，A 正确；由质能方程知，当物体的质量减少时，物体的能量降低，向外释放了能量；反之，若物体的质量增加了， 则物体的能量升高，表明它从外界吸收了能量，所以由物体的质量变化能算出物体的能量变化。故 B、C 正确D 错误 【总结升华】质能方程反映了质量与能量的对应关系物体的能量跟其质量成正比，即一定的能 量必定对应着一定的质量，质量不能转化为能量举一反三举一反三: :【变式】已知氮核质量14.00735 uNm，氧核质量17.00454 uOm ，氦核质量134.003 87 uHem，质子质量1.00815 uHm，试判断核反应：144171 7281NHeOH是吸能反应，还是

37、放能反应，能量变化多少？【思路点拨】2Emc （m单位是kg） ；931.5 MeVEm （m单位是u） 【答案】见解析。 【解析】反应前总质量18.01122 uNHemm，反应后总质量18.01269 uOHmm因为反应中质量增加，所以此反应为吸能反应，所吸收的能量为 22(18.0126918.01122) 931.5 MeV 1.4 MeVOHNHeEmcmmmmc 【总结升华】核能的计算方法为：（1）根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损乘以真空中光速的平方：2Emc （m单位是kg）（2）根据1原子质量单位（u）相当于931.5 MeV能量，用核子结合成原子核时质量亏损

38、的原 子质量单位数乘以931.5 MeV，即931.5 MeVEm （m单位是u）例 33 1H的质量是3.016050 u，质子的质量是1.007 277 u，中子质量是1.008 665 u求：（1）一个质子和两个中子结合为氚核时，是吸收还是放出能量？该能量为多少？（2）氚核的结合能和比结合能各是多少？（3）如果这些能量是以光子形式放出，则光子的频率是多少？【答案】见解析。 【解析】 （1）一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程式是113 101H2 nH，反应前各核子总质量为21.007277 u2 1.008665 u3.024607 unmm ，反应后新核的质量为 3.016050

39、uHm，质量亏损为143.016050 u3.024607 u0.008 557 um因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应为放能反应释放的核能为0.008 557 931.5 MeV7.97 MeVE （2）氚核的结合能即为 7.97 MeVE， 它的比结合能为2.66MeV3E（3）放出光子的频率为 619 21 347.97 101.6 10Hz1.92 10 Hz6.63 10E h 举一反三举一反三: : 【变式 1】某核反应方程为234 112H+ HHe+X已知2 1H2 1H的质量为2.0136u，3 1H的质量为3.0180u，4 2He的质量为4.0026u，X的质

40、量为1.0087u则下列说法中正确的是（ ） AX是质子，该反应释放能量 BX是中子，该反应释放能量 CX是质子，该反应吸收能量 DX是中子，该反应吸收能量【答案】B【变式 2】一对正、负电子相撞，可以转化为两个频率相同的光子，试求这对光子的频率【答案】见解析。 【解析】正、负电子相撞转变成两个光子，光子质量为零，两个电子的质量亏损以光子辐射的 形式释放能量，每个光子所具有的能量占总能量的二分之一，2308 2142 0.91 10(3 10 ) J16.38 10JEmc 每一光子能量 1418.19 10J2EE则光子频率：14 20 348.19 10Hz1.24 10 Hz6.63 1

41、0E h【变式 3】一真空中存在磁感应强度为B的匀强磁场，磁场中有一静止的质量为M的原子核发 生一次衰变，已知粒子的质量为m，电荷量为q，其运动的轨迹在与磁场垂直的平面内现测 得粒子运动的轨道半径为R，试求出在衰变过程中的质量亏损 （注：涉及动量问题时，亏损的质 量可忽略不计） 15【答案】见解析。 【解析】设衰变放出的粒子的速度为v，则：2vqvBmR，用v表示衰变后剩余核的速度，在考虑衰变过程中系统的动量守恒时，因为亏损质量很小，可不予考虑，由动量守恒定律可知：()Mm vmv在衰变过程中，粒子和剩余核的动能来自于核能，即22211() 22mcMm vmv，解得：22() 2()M qB

42、Rmc m Mm【总结升华】本题是释放的核能转换成了粒子和新核的动能。再根据爱因斯坦质能方程进行 分析计算本题考查衰变中动量守恒定律的应用、磁场中粒子做圆周运动的分析及核能的计算类型二、重核裂变及其应用类型二、重核裂变及其应用例 4关于重核的裂变，以下说法正确的是（ ） A核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B中子从铀块中通过时，一定发生链式反应C重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少D由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时， 要发生质量亏损，放出核能 【思路点拨】根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析【答案】D 【解析

43、】根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核 反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量链式反应是 有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生在裂变反应中核子数是不会减少的，如235 92U裂变为90 38Sr和136 54Xe的核反应，其核反应方程为2351901361 92038540UnSrXe 10 n，其中各粒子质量分别为235.0439 uUm，1.00867 unm ，89.9077 uS rm，16135.9072 uX em，质量亏损为100.1

44、5097 uUnS rX enmmmmmm可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此选项 A、B、C 均 错重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，还会发生质量亏损，从而释放出核能综 上所述，选项 D 正确 【总结升华】重核发生裂变的条件是：（1）要俘获慢中子；（2）铀块的体积要大于临界体积重核裂变放能的原因是：重核核子的平均质量大于中等核核子的平均质量举一反三举一反三: :【变式】在核反应堆中，为了使中子减速成为慢中子，必须用重水或石墨作慢化剂，使快中子跟 慢化剂的原子核相碰（设这些碰撞是弹性正碰） ，以达到减速的目的你认为用质量数大的作慢化剂 效果好还是

45、用质量数小的作慢化剂效果好?试作相应说明和计算（设减速剂原子核原来是静止的） 【答案】见解析。 【解析】因中子与慢化荆原予核发生弹性碰撞，碰撞过程动量和能量都守恒设中子质量为m，慢化剂原子核质量为M，中子的初速度为0v，有012mvmvMv，222 012111 222mvmvMv，解得 10mMvvmM可见，当M越接近m时，1v越小，即质子数小的减速效果好例 5核反应堆的构造是怎样的？有哪些类型？【答案】见解析。 【解析】在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆的示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀（铀235的含量占34）制成，石墨（或重水）为减速剂， 使反应生成的快中子变为慢中子，

46、便于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围镉棒的作用是17吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒，控制棒插入深些，吸收中子多，反应速度变慢；插入浅 一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动地调节控制棒的升降，就能使反应堆安全正常 地工作核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠或二氧化碳作冷却剂，在反应堆内外 循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电发生裂变反应时，会产生一些有危害 的放射性物质，很厚的混凝土防护层可以防止辐射线射到外面核反应堆有下列不同类型（1）气冷式反应堆，即采用冷气体作为冷却剂，如空气、二氧化碳等，英国大多数核电站的反 应堆是气冷式的（

47、2）水冷式反应堆压水堆与沸水堆：在正常运动条件下，压水堆内的水由于受到很高的压力，始终处于“液态” ，我国已建成的秦山 核电站（一期）和大亚湾核电站以及正在建设的秦山二期、岭澳和田湾核电站均采用压水堆沸水反 应堆内的水处于汽、液两相的状态轻水堆与重水堆：氢有三种同位素：氕、氘、氚普通水中的氢原子是“氕” ，这种水称为“轻水” ；若水中的氢原 子是“氘” ，则称为“重水” ， “轻水堆”和“重水堆”的区别在于反应堆的冷却剂、慢化剂是“轻水” 还是“重水” 秦山三期核电工程采用的是重水堆【总结升华】了解核反应堆的构造，搞清各部的作用及基本原理例 6已知一个铀235核裂变时能释放200 MeV的能量，问1 kg铀完全裂变能释放多少能量？相当于完全燃烧多少吨热值为72.9