资源简介

5.3　核反应　结合能
学习目标
1.通过任务1及其活动,知道各种核反应,会书写核反应方程。(物理观念、科学思维)
2.通过任务2及其活动,知道结合能,能区分结合能与比结合能。(物理观念)
3.通过任务3及其活动,知道质量亏损,掌握质量与能量的关系,能用质能方程计算核反应中释放的核能。(物理观念、科学思维)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:结合能是原子核具有的能量吗


思考2:钴核Co)放出一个β粒子后衰变成一个镍核Ni),并伴随产生了γ射线。已知钴核、β粒子、镍核的质量分别为m1、m2、m3,真空中的光速为c,该核反应中释放的能量为多少


正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)所有的核反应都遵循电荷数守恒和质量数守恒。 (　　)
(2)核子数越多的原子核,比结合能一定小。 (　　)
(3)结合能越大,原子核越稳定。 (　　)
(4)一个氘核分解成质子和中子时需要吸收能量。 (　　)
(5)所有的核反应一定伴随着质量亏损,有核能放出。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　核反应
　　前面我们学过衰变,知道一些衰变方程,我们可以通过核反应了解原子核的内部结构和粒子的本质及特点。阅读课本中“核反应”内容,思考下面的问题。
1.什么是核反应 核反应与衰变有何异同

2.书写核反应方程需要注意什么


核反应
1.原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程叫核反应。在核反应中①　　守恒和②　　守恒。
2.发现质子的核反应方程NHe③　　,发现者:④　　。
应用　核反应方程的配平
在XNYO和YLi2X两个核反应方程中,X和Y代表两种不同的原子核,以Z和A分别表示X的电荷数和质量数,则 (　　)
A.Z=1,A=1 B.Z=1,A=2
C.Z=2,A=3 D.Z=2,A=4
任务2　结合能与比结合能的理解
　　相距很远的两个物体,由于万有引力而相互接近,运动速度越来越大,引力势能转化为动能,最后撞在一起,动能变成它们的内能散失掉了。两个物体为了结合而付出了代价——失去了一些能量,如果要把它们分开,还要重新赋予它们这份能量。原子核的形成过程与上述过程具有类似的地方。
1.什么是结合能


2.氦原子核是由两个质子和两个中子凭借核力结合在一起的,要把它们分开,需要吸收能量。反过来,4个核子结合成氦原子核要放出能量。那么,把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系


3.如何才能反映原子核的稳定程度


结合能与比结合能
1.原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,把核子再分开,需要能量,这就是原子核的⑤　　能。
2.原子核的结合能与⑥　　之比,称作比结合能,比结合能越大,原子核中的核子结合得越⑦　　,原子核就越⑧　　。
问题讨论
图线表示原子核的比结合能与质量数A的关系。重的原子核,是不是比结合能就一定大 什么样的原子核更稳定
应用　与结合能相关的计算
月球表面蕴含丰富而地球却十分匮乏的氦3是一种非常理想的核聚变材料,月球氦3的开发对解决能源危机有着积极的意义。氦3与氘核的核反应方程为HeHHe+X+ΔE,其中ΔE为释放的核能。且知氘核的比结合能为E1,氦核的比结合能为E2,则下列说法正确的是 (　　)
A.X为中子
B.氦3的比结合能比氦核的比结合能大
C.氦3的比结合能为
D.氦3的比结合能为
归纳总结 1.结合能与比结合能 结合能是原子核拆解成核子吸收的能量,而比结合能是原子核拆解成核子时平均每个核子吸收的能量。 2.比结合能与原子核稳定程度的关系 (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,表示该原子核较稳定。 (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。
任务3　爱因斯坦质能方程的理解与应用
　　前面我们学习过衰变,知道γ射线往往伴随着α衰变、β衰变而产生,γ射线是一种能量很高的电磁波,这些能量是哪里来的呢 阅读课本有关内容,回答下列问题。
1.什么是质量亏损 质量亏损Δm与能量变化ΔE之间有什么关系



2.原子核的比结合能与原子核的大小有什么关系 人们因此想到了怎样的释放结合能的方法


3.请解释衰变中产生γ射线的原因。


质量亏损
1.爱因斯坦的质能方程E=⑨　　。
2.原子核的质量⑩　　组成它的核子的质量之和,这个现象叫作质量亏损。
3.中等大小的原子核的比结合能最大,如果使较重的原子核分裂成中等大小的原子核,或者把较小的原子核合并成较大的原子核,核子的比结合能都会　　,即核子将发生新的　　,释放新的结合能。
应用　质量亏损与核能的计算
用中子轰击静止的锂核,核反应方程为nLiHe+X+γ。已知光子的频率为ν,锂核的比结合能为E1,氦核的比结合能为E2,X核的比结合能为E3,普朗克常量为h,真空中光速为c、下列说法正确的是 (　　)
A.X为H
B.γ光子的动量p=
C.释放的核能ΔE=(4E2+3E3)-6E1
D.质量亏损Δm=
归纳总结 　　核能的计算方法 (1)根据质量亏损计算 ①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。 ②利用原子质量单位[1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量]计算。其中Δm的单位是 u,ΔE的单位是MeV。 (2)根据能量守恒定律和动量守恒定律来计算核能 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。 (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。
【随堂检测·精评价】
1.(任务1)钍Th具有放射性,它能放出一个新的粒子而变为镤Pa,同时伴随有γ射线产生,其方程为ThPa+X,下列核反应方程中,产生的未知粒子(X1、X2、X3、X4)是粒子X的是 (　　)
AN+X1OH
BUNp+X2
CHHX3n+17.6 MeV
DUTh+X4
2.(任务2)下列关于结合能和比结合能的说法正确的是 (　　)
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
3.(任务3)(多选)一个质子和一个中子结合成氘核,同时放出γ光子,核反应方程是H+nH+γ。以下说法正确的是 (　　)
A.反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和
B.反应前后的质量数不变,因而质量不变
C.γ光子的能量为Δmc2,Δm为反应中的质量亏损,c为光在真空中的速度
D.因存在质量亏损Δm,所以“物质不灭”的说法不正确
4.(任务3)(多选)中子活化是指将样品用中子照射后,样品中的原子俘获中子而变得具有放射性的过程。俘获中子后的原子核通常会立即衰变,释放出粒子同时生成新的活化产物Mg经中子n照射后发生反应,最终生成Na并释放一粒子X,若nMgNa和X的质量分别为1.008 7 u、23.985 0 u、23.991 0 u、1.007 8 u,1 u相当于931.5 MeV,下列说法正确的是 (　　)
A.反应方程式为nMgNae
BMg具有放射性,能衰变成Na和X
C.生成物的质量减少0.005 1 u
D.反应将吸收能量约4.75 MeV
答案与解析
自主预习·悟新知
思考1:结合能不是原子核具有的能量,而是为了把核子分开而需要的能量。
思考2:根据质能方程可知核反应中释放的能量为(m1-m2-m3)c2。
判断　(1)√　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程叫核反应,也叫原子核的人工转变。用一些微观粒子,如质子、中子、α粒子甚至γ光子等,可使一些原子核实现转变。衰变是指原子核自发放出射线,变成新的原子核。
2.书写核反应方程的重要原则:(1)质量数守恒和电荷数守恒。(2)反应前后用箭头连接,不能写成等号。(3)核反应必须是实验中能够发生的。(4)核反应前后相同的核不能消掉。
知识生成　①质量数　②电荷数　OH　④卢瑟福
应用探究
例1　D　【解析】设Y的电荷数和质量数分别为m和n,根据核反应方程质量数和电荷数守恒,可知第一个核反应方程的电荷数和质量数满足A+14=n+17,Z+7=m+8,第二个核反应方程的电荷数和质量数满足n+7=2A,m+3=2Z,联立解得Z=2,A=4,D项正确。
任务2
问题引领
1.原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开,也需要能量,这就是原子核的结合能。
2.两者相等。
3.结合能与核子数之比,称作比结合能,也叫平均结合能,它反映了一个原子核的稳定程度。
知识生成　⑤结合　⑥核子数　⑦牢固　⑧稳定
应用探究
活动　重核的比结合能不是最大,中等核的比结合能最大;原子核的比结合能越大,原子核越稳定。
例2　C　【解析】根据质量数和电荷数守恒,可得核反应方程为HeHHeH+ΔE,可知X为质子,A项错误;核反应放出能量,可知氦3的比结合能比氦核的比结合能小,B项错误;根据3E+2E1+ΔE=4E2,可得氦3的比结合能E=,C项正确,D项错误。
任务3
问题引领
1.原子核的质量小于组成它的核子的质量之和,这个现象叫作质量亏损。根据爱因斯坦的质能方程E=mc2可知ΔE=Δmc2。
2.中等大小的原子核的比结合能最大,随着原子核的增大或减小,其比结合能都减小。人们因此想到,如果使较大的原子核分裂为中等大小的原子核,或把较小的原子核合并成中等大小的原子核,都会使其比结合能增大,即发生质量亏损,释放新的结合能。
3.衰变中发生了质量亏损,要释放能量,这些能量进而激发出γ射线。
知识生成　⑨mc2　⑩小于　增加　质量亏损
应用探究
例3　C　【解析】根据质量数和电荷数守恒,可知X为H,A项错误;光子的频率为ν,可知γ光子的动量p==,B项错误;由比结合能的概念可知,该核反应释放的核能ΔE=(4E2+3E3)-6E1,C项正确;质量亏损Δm=,D项错误。
随堂检测·精评价
1.B　
2.D　【解析】核子结合成原子核时放出能量,原子核拆解成核子时吸收能量,A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,其结合能比重核小,B、C两项错误;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项正确。
3.AC　【解析】核反应中质量数与电荷数及能量均守恒,由于反应要释放核能,会出现质量亏损,反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和,所以质量不守恒,但质量数不变,且能量守恒,释放的能量会以光子的形式向外释放,A、C两项正确,B、D两项错误。
4.BD　【解析】反应方程式为nMgNaH,A项错误;由题意知Mg俘获中子后,生成的Mg具有放射性,B项正确;反应前后生成物质量变化量Δm=23.991 0 u+1.007 8 u-1.008 7 u-23.985 0 u=0.005 1 u,说明生成物的质量增加0.005 1 u,C项错误;因为生成物的质量增加,所以反应将吸收能量,且吸收的能量E=Δm×931.5 MeV=4.750 65 MeV,D项正确。

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