第15.3节 核能及其应用-2024-2025学年高二物理同步学与练（沪科版2020上海选择性必修第三册）.docx

第十五章原子核

15.3核能及其应用

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知识要点

难易度

1.核力和四种相互作用

2.原子核的比结合能越大，核越稳定。比结合能由小变大，释放能量

3.质量亏损和质能方程

4.裂变和链式反应

5.聚变和可控核聚变

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??知识精讲

一、核力

1.定义：原子核内一定有一种比库仑斥力更强的吸引力，使得核子彼此吸引并紧密地结合在一起的作用力。

2.性质：

(1)质子和质子、质子和中子以及中子和中子之间都存在核力。

(2)核力大小是相同的，与核子是否带电无关。

(3)短程力：作用范围大约在1.4×10-15m(大约相当于质子的半径)以内，超出这一范围，迅速减小为零。所以核力只发生在邻近的少数核子之间，核力比库仑力强100倍以上，即强相互作用。

3.四种相互作用：引力相互作用，电磁相互作用，强相互作用，弱相互作用。

万有引力、重力是引力相互作用；

弹力、摩擦力本质上是电磁相互作用力；

质子和中子之间的相互作用就是强相互作用；

原子核β衰变是弱相互作用。

例1．（多选）关于原子内的相互作用力说法正确的是()

A．原子核与电子之间的作用力主要是电磁力

B．中子和质子间的作用力主要是核力

C．质子与质子间的核力，在2.0×10－15m的距离内远大于它们相互间的库仑力

D．原子核与电子之间的万有引力大于它们之间的电磁力

答案：AC

解析：电子在原子核与电子之间库仑力的作用下绕原子核做圆周运动，选项A正确，D错误；

中子和质子、质子与质子间的核力，主要是表现在相邻的核子之间，在2.0×10－15m的距离内远大于它们相互间的库仑力，大于10×10－15m的距离核力几乎为零，故C正确，B错误。

二、原子核的结合能和平均结合能

1.原子核分解需要吸收能量，核子结合成原子核放出能量。

要使一个核子脱离原子核，外界必须克服核力做功。

因此，将原子核分解成彼此分离的核子，所有核子的能量之和比未分离的原子核能量大。

例如，用能量为2.22MeV的γ粒子照射氘核，会发生如下的核反应：

反之，在中子和质子结合成核的过程中会放出一个能量为2.22MeV的γ粒子。

这表明，原子核分解成核子需要吸收一定的能量，核子结合成原子核时则放出同样大的能量。

2.原子核的结合能：

原子核各个核子彼此分离时的总能量与该原子核能量之差称为原子核的结合能。

一般来说，原子核的核子数越多，结合能越大。

3.比结合能：

是指原子核中每个核子结合能的平均值，也称平均结合能。

比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。（通俗理解，吸引得越紧）

比结合能-原子序数的图像如下：

如果核反应从比结合能小的原子核变成比结合能大的原子核，分解所需能量小于结合释放能量，总体释放能量。从上图可知，中等质量数的核比结合能较大，所以重核裂变或轻核聚变都会释放能量。

4.质量亏损和质能方程

①质量亏损：原子核的质量小于组成原子核的所有核子的总质量，两者之差称为质量亏损。

②质能方程：物体的能量与它的质量的关系是：E＝mc2。

③质量亏损?m与原子核的结合能E之间的关系符合爱因斯坦提出的质能方程：

深化理解：

(1)所谓质量亏损，并不是质量消失，而是减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了。反之，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给。

(2)根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比。

物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写作ΔE＝Δmc2。

(3)运用质能方程时单位常用“原子质量单位”(u)和“兆电子伏特”(MeV)，即1u=931.5MeV。

例2．原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的有（）

A．核的结合能约为14MeV B．两个核结合成核时释放能量

C．核比核更稳定 D．U核中核子的平均结合能比Kr核中的大

答案：B

解析：A．氦核的比结合能大约为7MeV，氦核的核子数为4，则氦核的结合能大约为28MeV，A错误；

B．两个比结合能小的核结合成比结合能大的核时，会释放能量，B正确；

C．比结合能越大，原子核越稳定，由图可知，氦核的比结合能大，则核比i核更稳定，C错误；

D．由图可知，U核中核子的平均结合能比Kr核中的小，D错误。

例3．21.质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3，真空中光速为c，当质子和中子结合成氘核时，放出的能量是（）

A.m3c2B(m1+m2)c2C.(m3-m2-m1)c2D.(m1+m2-m3)c2

答案：D

解析∶△m=