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3.2 核能

原子核式结构、氢原子光谱与原子核 · 高三
讲清楚它是什么

定义 核能是原子核结构发生变化(裂变或聚变)时,因质量亏损而释放出的巨大能量。

从哪来 本知识点为高三物理第1讲起点,图谱中未记录前置知识点,故基于高中物理必修模块中已掌握的“质能方程”及“原子核结构”基础直接展开。

为什么 核能并非凭空产生,其本质是质量与能量的转化。根据爱因斯坦质能方程 $E=mc^2$,由于光速 $c$ 极大,极微小的质量亏损 $\Delta m$ 都会转化为巨大的能量 $\Delta E$。在核反应中,生成物的总质量小于反应物的总质量,这部分“消失”的质量以能量形式释放,这就是核能的来源。

讲法
类比法:银行兑换 适合形象思维强、对抽象公式恐惧的学生。 将“质量”比作“金条”,“能量”比作“现金”。核反应就像去银行把一根金条(反应前总质量)换成现金(能量),但你会发现换出来的现金加上剩下的金条,总价值比原来那根金条还多(因为金条本身蕴含了巨大的潜在价值)。重点强调:质量没有真的“消失”,而是变成了另一种更“活跃”的形式(能量),就像金条变成了现金,你可以花掉它(做功、发热)。
讲法
数据对比法:震撼冲击 适合理性思维强、喜欢数据对比的学生。 直接列出数据:1千克铀-235完全裂变释放的能量约等于2700吨标准煤燃烧释放的能量。让学生计算:如果一座100万千瓦的火电站每天烧煤,需要多少车皮?而核电站只需要多少吨铀?通过巨大的数量级差异,让学生直观感受到“为什么”核能被称为“巨大能量”,从而理解 $c^2$ 这个放大因子的物理意义。
讲法
微观机制法:结合能曲线 适合逻辑严密、追求本质的学生。 画出比结合能曲线。解释:重核(如铀)裂变变成中等质量核,或轻核(如氘氚)聚变变成中等质量核,都是向“铁-56”附近移动。在这个区域,核子结合得更紧密,平均每个核子的质量更小(质量亏损更大)。因此,无论是裂变还是聚变,系统都趋向于更稳定的状态,多余的能量必然释放出来。这是从原子核内部结构稳定性角度解释核能释放的必然性。
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练一道
基础题
已知质子质量 $m_p = 1.007276 u$,中子质量 $m_n = 1.008665 u$,氘核质量 $m_D = 2.013553 u$。求 1 个氘核的比结合能。(取 $1 u = 931.5 MeV/c^2$)
变式
在核反应方程 ${}^{235}_{92}U + {}^{1}_{0}n \rightarrow {}^{141}_{56}Ba + {}^{92}_{36}Kr + 3{}^{1}_{0}n$ 中,若已知反应前后总质量亏损为 $\Delta m$,求该反应释放的能量。若此能量全部转化为一个电子的动能,求该电子的速度(设电子静止质量为 $m_e$)。
试试手自己判
检测题
下列说法正确的是( ) A. 原子核的结合能越大,原子核越稳定 B. 核反应中质量亏损是指反应后总质量大于反应前总质量 C. 1kg 铀-235 完全裂变释放的能量远大于 1kg 煤燃烧释放的能量,是因为铀的比结合能比煤大 D. 核能是原子核内部结构变化时释放的能量,其本质是质量转化为能量
看答案和判分标准
答案:D
判对标准:
- 选 A 错:应为“比结合能”越大越稳定。
- 选 B 错:质量亏损是指反应后总质量小于反应前总质量。
- 选 C 错:煤是化学能,不涉及原子核比结合能;且铀裂变是因为生成物比结合能更大,释放能量。
- 选 D 对:准确描述了核能的来源和本质。
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