高二物理核力粤教版知识精讲

高二物理核力粤教版知识精讲

高二物理核力粤教版 ‎ ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ 核力 ‎1. 核力与结合能 ‎2. 重核的裂变 ‎3. 核聚变 ‎4. 粒子和宇宙 知识归纳、总结：‎ 一. 核力与结合能 ‎（一）核力 ‎1. 定义：组成原子核的相邻核子之间存在着一种特殊的力，这种力叫做核力。‎ ‎2. 核力有着完全不同于万有引力和静电力的一些性质：‎ ‎（1）核力是强相互作用(强力)的一种表现。在它的作用范围内，核力比库仑力大得多。‎ ‎（2）核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内，核力在大于0.8×10－15m时表现为吸引力，且随距离增大而减小，超过1.5×10－15m，核力急剧下降几乎消失；而在距离小于0.8×10－15m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起。‎ ‎（3）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。‎ ‎3. 四种基本相互作用 自然界中最基本的四种相互作用是：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。‎ ‎（二）原子核中质子和中子的比例 ‎1. 轻核与重核中的比例 自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，较重的原子核，中子数大于质子数，越重的两者相差越多。‎ ‎2. 对质子与中子比例的解释 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。‎ ‎（三）结合能 ‎1. 结合能：核子结合成原子核时放出的能量，或原子核分解成核子时吸收的能量，都叫做原子核的结合能。‎ 例如，用光子照射氘核()，只有当光子的能量等于或大于2.2 MeV时，才能使它分解为质子和中子。核反应方程为：反过来，使一个质子和一个中子结合成氘核，会放出2.2MeV的能量。因此，氘核的结合能为2.2MeV。‎ ‎2. 比结合能：原子核的结合能与其核子数之比，称做比结合能。‎ ‎3. 比结合能与原子核的稳定性。‎ ‎（1）比结合能的大小能够反映核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该核就越稳定。‎ ‎（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，中等核子数的原子核，比结合能较大，表示这些原子核较稳定。‎ ‎（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。‎ ‎（四）质能方程 ‎1. 质量亏损：组成原子核的核子的总质量与新原子核的质量之差，叫做核的质量亏损。‎ ‎2. 质能方程：原子核释放能量时，要产生质量亏损，物体的能量和质量之间存在着密切的联系。它们之间的关系是：‎ E= mc2（或△E=△mc2）‎ 这就是著名的爱因斯坦质能方程。因此在计算核能时，可以通过先计算质量亏损△m，再代入质能方程求出核能。‎ 二. 重核的裂变 ‎（一）重核裂变 定义：使重核分裂成中等质量的原子核的核反应叫重核的裂变。‎ 重核的裂变只发生在人为控制的核反应中，自然界不会自发地产生。‎ ‎（二）铀核的裂变 ‎1. 发现：1938年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. 裂变产物：‎ 铀核裂变的产物是多种多样的，有时裂变为氙(Xe)和锶(Sr)，有时裂变为钡(Ba)和氪(Kr)，有时裂变为锑(Sb)和铌(Nb)。产物不同，释放的能量和中子数也不尽相同。例如，其中一种核反应方程为：‎ ‎3. 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2～3‎ 个中子。这些中子又引起其他铀核裂变，这样，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。‎ ‎4. 链式反应 首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂过程中，又会放出更多中子，这些中子再去轰击更多铀核，产生更多中子，就形成了链式反应。这个反应速度很快，不加控制的话，能量在很短的时间内急剧释放(原子弹)；如果采用其他方法对反应速度加以控制的话，能量缓慢释放(核电站)。‎ ‎（三）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的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应。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建设提供能源保障。‎ 三. 核聚变 ‎（一）聚变 ‎1、定义：轻核结合成质量较大的原子核的反应叫聚变。‎ 例如 ‎2、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10－‎15m，但是原子核是带正电的，要使它们接近到10－‎15m就必须克服电荷间很大的斥力作用，这就是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。‎ ‎3、轻核必须在很高的温度下相遇才能发生聚合放出更大的能量，由于温度较高，所以聚变也称为热核反应。‎ ‎4、聚变与裂变的比较 ‎（1）能用于热核反应的原料极其丰富，裂变的原料比较稀缺。‎ ‎（2）反应物质量相同的情况下聚变放出的能量比裂变大。‎ ‎（3）热核反应后的遗留物对环境污染小，这一点裂变无法相比。‎ ‎（二）受控热核反应 ‎1、热核反应的优点（与裂变相比）‎ ‎（1）产生的能量大；‎ ‎（2）反应后生成的放射性物质易处理；‎ ‎（3）热核反应的燃料在地球上储量丰富。‎ ‎2、实现核聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受如此高的温度，为解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。‎ ‎3、热核反应的两种方式 爆炸式热核反应，受控式热核反应（目前正处于探索、实验阶段）。‎ 四. 粒子和宇宙 ‎（一）物质的结构 ‎1. 粒子世界 ‎（1）电子、质子和中子 直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来发现了电子、质子和中子。随着科学家们的研究逐步发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们不是质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身是复合粒子，并且还有着自己的复杂结构，所以电子、质子、中子并不是组成物质世界的基本粒子。‎ ‎（2）新粒子 ‎1912‎ 年奥地利物理学家赫斯对宇宙射线观测时，发现了一些新粒子，宇宙射线中粒子的能量很高，但数量很少。人们用高能加速器进行实验，发现了更多的粒子。如1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K子和π子，此后不久又发现了A子。‎ ‎2. 粒子的分类 现在已经发现的粒子达400余种，可将其分为三大类：媒介子、轻子和强子。‎ ‎（1）媒介子 大家所熟识的光子是传递电磁相互作用的粒子，像光子、胶子等传递各种相互作用的粒子叫媒介子。‎ ‎（2）轻子 到现在为止，共发现6种轻子，它们是：电子、电子中微子、μ子、μ中微子、τ子τ子中微子。‎ ‎（3）强子 强子是参与强相互作用的粒子，质子、中子、介子和超子都属于强子，其中质子是最早发现的强子。‎ ‎3. 夸克 ‎（1）夸克的提出 ‎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。‎ ‎（2）夸克的种类 上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。‎ ‎（3）夸克所带电荷 夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其中电荷量为元电荷的±或±。例如上夸克带的电荷量为+2e/3，下夸克带的电荷量为－e/3。‎ ‎【典型例题】‎ 例1. 碳原子质量的叫做原子质量单位，用u表示，请根据E=mc2证明：1u相当于931MeV。‎ 分析：原子质量单位为碳原子质量的，所以1u=1.6606×10－27kg ‎，由爱因斯坦的质能方程可以求出1u相当于多少焦的能量，然后将电子伏特和焦耳进行单位换算。‎ 证明：由爱因斯坦的质能方程得 E=mc2=1u×c2=l.6606×10－27×(2.9979×108)2J=1.4924×10－10J 又因为1eV=1.6022×10－19J，则有 E＝1.4924×10－10J＝931MeV 所以1u相当于931MeV的能量。‎ 例2. 2个质子和1个中子结合可以生成氮－3，反应方程式为：2已知每个质子的质量为l.007277u，中子的质量为1.008665u，氮核子的质量为3.002315u，试求氮－3的结合能。‎ 分析：求出反应过程中的质量亏损，再由爱因斯坦的质能方程或原子单位质量与能量的关系即可求解。‎ 解：粒子结合前后的质量亏损为 ‎△m=2mH+mn－ma=2×1.007277u +1.008665u－3.002315u =0.020904u 法一：由爱因斯坦质能方程得，结合能为 法二：由于1u相当于931.5MeV，则结合能为 E=0.020904×931.5MeV ‎=19.4721MeV 答案：3.119×10－12J或19.4721MeV。‎ 例3. 下列核反应方程式中，表示核聚变过程的是（ ）‎ A. B. ‎ C. D. ‎ 分析：因为轻核结合成质量较大的核叫聚变，此题关键在一个“聚”字，暗示变化之前应至少有两种核，四个选项中只有B符合要求。‎ 答案：B ‎【模拟试题】‎ ‎1. 现在太阳向外辐射的能量是由于太阳内部氢聚变产生的，大约在40亿年以后太阳内部将会启动另一种核反应，其核反应方程为：，那时太阳向外辐射的能量是由上述两种核反应产生的。已知的质量为m1，的质量为m2，则下列判断正确的是（ ）‎ A. m1=‎3m2‎ B. ‎3m1=m2‎ C. ‎3m1m2‎ ‎2. 下列核反应方程式中，表示核聚变的是（ ）‎ A. B. ‎ C. D. ‎ ‎3. 放射性元素甲和乙都要发生α衰变，已知甲元素的半衰期大于乙元素的半衰期，某时刻元素甲和乙的单位时间放出的α粒子数目相同，比较此时甲、乙两种元素的原子核数目，有（ ）‎ A. 甲元素的原子核数小于乙元素的原子核数 B. 甲元素的原子核数等于乙元素的原子核数 C. 甲元素的原子核数大于乙元素的原子核数 D. 无法确定 ‎4. 在匀强磁场中有一个静止的氡原子核（），由于衰变它放出一个粒子，此粒子的径迹与反冲核的径迹是两个相外切的圆，大圆与小圆的直径之比为42∶1，如图所示。那么氡核的衰变方程应是下列方程的哪一个（ ）‎ A. B. ‎ C. D. ‎ ‎5. 在α粒子散射实验中，不考虑电子和α粒子碰撞的影响，这是因为（ ）‎ A. α粒子和电子根本无相互作用 B. 电子是均匀分布的，α粒子受电子作用的合力为零 C. α粒子在和电子碰撞中动量的改变量极小，可忽略不计 D. 电子体积很小，α粒子碰撞不到电子 ‎6. 用中子()轰击铝27()，产生钠24()和X；钠24具有放射性，它衰变后变成镁24()和Y。则X和Y分别是（ ）‎ A. α粒子和电子 B. α粒子和正电子 C. 电子和α粒子 D. 质子和正电子 ‎7. 原子从a能级状态跃迁到b能级状态时发射波长为λ1的光子；原子从b能级状态跃迁到c能级状态时吸收波长为λ2的光子，已知λ1>λ2。那么原子从a能级状态跃迁到c能级状态时将要（ ）‎ A. 发出波长为λ1－λ2的光子 B. 发出波长为的光子 C. 吸收波长为λ1－λ2的光子 D. 吸收波长为的光子 ‎8. 质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3，一个质子和一个中子结合成氘核时，若放出的能量全部转变为一个γ光子的能量，已知普朗克常量为h，真空中的光速为c。则放出的γ光子的频率为( )‎ A. B. ‎ C. D. ‎ ‎9. 质子、中子、α粒子的质量分别为m1、m2、m3。质子和中子结合成一个α粒子，释放的能量是（ ）‎ A. (m1+m2－m3)c2 B. m‎3c2‎ C. (‎2m1+‎2m2‎－m3)c2 D. (m3－‎2m1－‎2m2‎)c2‎ ‎10. 下列说法正确的是（ ）‎ A. 经过6次α衰变和4次β衰变后成为稳定的原子核 B. 发现中子的核反应方程是 C. 200个的原子核经过两个半衰期后剩下50个 D. 在中子轰击下生成和的过程中，原子核中的平均核子质量变小 ‎11. 原子核放出α粒子后变成新的原子核，设、和α粒子的质量分别为my、mx和m；带电量分别为qy、qx和q。那么下列关系式中错误的是（ ）‎ A. B=A－4 B. my=mx+m C. k=p－2 D. qy=qx+q ‎12. 下列核反应和说法中正确的是（ ）‎ A. 铀核裂变的核反应是：‎ B. 组成核的核子中任何两个核子间都存在不可忽略的核力作用 C. 压力、温度对放射性元素衰变的快慢具有一定的影响 D. 在α粒子散射的实验中，绝大多数α粒子几乎直线穿过金箔，这可以说明金原子内部绝大部分是空的 试题答案 ‎1. D 2. B 3. C 4. B 5. C ‎6. A 7. D 8. B 9. C 10. ABD ‎11. B 12. D ‎