核力與結(jié)合能習(xí)題

1、19.5 核力與結(jié)合能 習(xí)題一、知識(shí)點(diǎn)掃描1、核力與四種基本相互作用問(wèn)題1：氦原子核中有兩個(gè)質(zhì)子，質(zhì)子質(zhì)量為mp=1.6710-27kg，帶電量為元電荷e=1.610-19C，原子核的直徑的數(shù)量級(jí)為10-15m，那么兩個(gè)質(zhì)子之間的庫(kù)侖斥力與萬(wàn)有引力兩者相差多少倍?問(wèn)題2：在原子核那樣狹小的空間里，帶正電的質(zhì)子之間的庫(kù)侖斥力為萬(wàn)有引力的1036倍，那么質(zhì)子為什么能擠在一起而不飛散？會(huì)不會(huì)在原子核中有一種過(guò)去不知道的力，把核子束縛在一起了呢？ 基于這兩種力的性質(zhì)，原子核中的質(zhì)子要靠自身的引力來(lái)抗衡相互間的庫(kù)侖斥力是不可能的。核物理學(xué)家猜想，原子核里的核子間有第三種相互作用存在，即存在著一種核力，是

2、核力把核子緊緊地束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核，后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了科學(xué)家的猜測(cè)。那么核力有怎樣特點(diǎn)呢？（1）核力特點(diǎn)： 第一、核力是強(qiáng)相互作用(強(qiáng)力)的一種表現(xiàn)。 第二、核力是短程力，作用范圍在1.510-15 m之內(nèi)。 第三、核力存在于核子之間，每個(gè)核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，這種性質(zhì)稱為核力的飽和性。總結(jié)：除核力外，核物理學(xué)家還在原子核內(nèi)發(fā)現(xiàn)了自然界的第四種相互作用弱相互作用(弱力)，弱相互作用是引起原子核衰變的原因，即引起中子轉(zhuǎn)變質(zhì)子的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強(qiáng)力更短，為10-18m，作用強(qiáng)度則比電磁力小。（2）四種基本相互作用力： 弱力、強(qiáng)力、電磁力、引力和分別在不同的尺度

3、上發(fā)揮作用： 弱力（弱相互作用）：弱相互作用是引起原子核衰變的原因短程力； 強(qiáng)力（強(qiáng)相互作用）：在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將核子束縛在一起短程力； 電磁力：電磁力在原子核外，電磁力使電子不脫離原子核而形成原子，使原了結(jié)合成分子，使分子結(jié)合成液 體和固體長(zhǎng)程力； 引力：引力主要在宏觀和宇觀尺度上“獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷”。是引力使行星繞著恒星轉(zhuǎn)，并且聯(lián)系著星系團(tuán)，決定著宇宙的現(xiàn)狀長(zhǎng)程力 。2、原子核中質(zhì)子與中子的比例 隨著原子序數(shù)的增加，穩(wěn)定原子核中的中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)。思考：隨著原子序數(shù)的增加，穩(wěn)定原子核中的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有怎樣的關(guān)系？思考：為什么隨著原子序數(shù)的增加，穩(wěn)定原子核中的中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)？總結(jié)： 若質(zhì)子與中子

4、成對(duì)地人工構(gòu)建原子核，隨原子核的增大，核子間的距離增大，核力和電磁力都會(huì)減小，但核力減小得更快。所以當(dāng)原子核增大到一定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫(kù)侖力，這個(gè)原子核就不穩(wěn)定了； 若只增加中子，中子與其他核子沒(méi)有庫(kù)侖斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)定，所以穩(wěn)定的重原子核中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。 由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，若再增大原子核，一些核子間的距離會(huì)大到其間恨本沒(méi)有核力的作用，這時(shí)候再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的。因此只有200多種穩(wěn)定的原子核長(zhǎng)久地留了下來(lái)。3、結(jié)合能 由于核子間存在著強(qiáng)大的核力，原子核是一個(gè)堅(jiān)固的集合體。要把原

5、子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，或者需要巨大的能量。例如用強(qiáng)大的光子照射氘核，可以使它分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子。 從實(shí)驗(yàn)知道只有當(dāng)光子能量等于或大于2.22MeV時(shí)，這個(gè)反應(yīng)才會(huì)發(fā)生。相反的過(guò)程一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核，要放出2.22MeV的能量。這表明要把原子核分開(kāi)成核子要吸收能量，核子結(jié)合成原子核要放出能量，這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能。 原子核越大，它的結(jié)合能越高，因此有意義的是它的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能。比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固,原子核越穩(wěn)定。 那么如何求原子核的結(jié)合能呢？愛(ài)因斯坦從相對(duì)論得出了物體能量與它的質(zhì)量的關(guān)系，指出了求原子

6、核的結(jié)合能的方法。4、質(zhì)量虧損（1）質(zhì)量虧損 科學(xué)家研究證明在核反應(yīng)中原子核的總質(zhì)量并不相等，例如精確計(jì)算表明：氘核的質(zhì)量比一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量之和要小一些，這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損，質(zhì)量虧損只有在核反應(yīng)中才能明顯的表現(xiàn)出來(lái)。 回顧質(zhì)量、能量的定義、單位，向?qū)W生指出質(zhì)量不是能量、能量也不是質(zhì)量，質(zhì)量不能轉(zhuǎn)化能量，能量也不能轉(zhuǎn)化質(zhì)量，質(zhì)量只是物體具有能量多少及能量轉(zhuǎn)變多少的一種量度。（2）愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程： Emc2 相對(duì)論指出，物體的能量（E）和質(zhì)量（m）之間存在著密切的關(guān)系，即Emc2式中， c為真空中的光速。愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程表明：物體所具有的能量跟它的質(zhì)量成正比。由于c2這個(gè)數(shù)值十分巨大，

7、因而物體的能量是十分可觀的。 （3）核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量：E=m c2 物體貯藏著巨大的能量是不容置疑的，但是如何使這樣巨大的能量釋放出來(lái)？從愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程同樣可以得出，物體的能量變化E與物體的質(zhì)量變化m的關(guān)系：E=mc2 單個(gè)的質(zhì)子、中子的質(zhì)量已經(jīng)精確測(cè)定。用質(zhì)譜儀或其他儀器測(cè)定某種原子核的質(zhì)量，與同等數(shù)量的質(zhì)子、中子的質(zhì)量之和相比較，看一看兩條途徑得到的質(zhì)量之差，就能推知原子核的結(jié)合能。說(shuō)明： 物體的質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，質(zhì)量虧損指的是靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量有關(guān)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。 質(zhì)量虧損并不是這部分質(zhì)量消失或轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?，只是靜止質(zhì)量的減少。 在核反應(yīng)

8、中仍然遵守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律。 質(zhì)量只是物體具有能量多少及能量轉(zhuǎn)變多少的一種量度。 閱讀原子核的比結(jié)合能，指出中等大小的核的比結(jié)合能最大(平均每個(gè)核子的質(zhì)量虧損最大)，這些核最穩(wěn)定。另一方面如果使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成中等大小的核，核子的比結(jié)合能都會(huì)增加，這樣可以釋放能量供人使用。 二、例題精講例題：1個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量mp=1.007 277u，1個(gè)中子的質(zhì)量mn=1.008 665u.氦核的質(zhì)量為4.001 509 u. 這里u表示原子質(zhì)量單位，1 u=1.660 56610-27 kg. 由上述數(shù)值，計(jì)算2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子結(jié)合成氦核時(shí)釋放的能量。三、能力訓(xùn)練1

9、關(guān)于核能，下列說(shuō)法中正確的有 （ ） A核子結(jié)合成原子核時(shí)，需吸收的能量B核子結(jié)合成原子核時(shí)，能放出的能量C不同的核子結(jié)合成原子核時(shí)，所需吸收的能量相同D使一個(gè)氘核分解成一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子時(shí)，吸收的能量是一個(gè)恒定值2質(zhì)子的質(zhì)量mp，中子的質(zhì)量為mn，它們結(jié)合成質(zhì)量為m的氘核，放出的能量應(yīng)為 （ ） A（mp+mn-m）C2 B（mp+mn）c2 Cmc2 D(m-mp)c23在計(jì)算核子和原子核的質(zhì)量時(shí)，以u(píng)為單位比較方便，關(guān)于u下列說(shuō)法中正確的是 （ ） A 1u1.6610-27kg B1u等于一個(gè)碳12原子質(zhì)量的1/12C1u相當(dāng)于931.5MeV能量 Du表示一個(gè)核子的質(zhì)量4關(guān)于愛(ài)因斯坦

10、質(zhì)能方程的下列看法中正確的是 （ ）AE=mc2中的E是物體以光速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能BE=mc2是物體的核能CE=mc2反映了一定的質(zhì)量與一定的能量有相當(dāng)?shù)年P(guān)系DE=mc2表示發(fā)生的質(zhì)量虧損m變?yōu)槟芰糠懦鋈?從下列幾個(gè)核反應(yīng)中，選出盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)（ ）6查德威克最初發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程： （ ）7完成下列核反應(yīng)方程8質(zhì)子的質(zhì)量、中子的質(zhì)量和氘核的質(zhì)量分別為m1、m2和m3，質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核時(shí)，發(fā)出射線。已知普朗克恒量為h，真空中光速為c，則射線的頻率v=_。9一個(gè)鈾核衰變?yōu)殁Q核時(shí)釋放一個(gè)粒子。已知鈾核的質(zhì)量為3.10-25kg，釷核的質(zhì)量為3.10-25kg，粒子的質(zhì)量為6.6467210-27kg。在這個(gè)衰變過(guò)程中釋放出的能量等于_J。(保留2位數(shù)字)。10正負(fù)電子對(duì)撞后，轉(zhuǎn)化為兩個(gè)光子的總能量是_電子伏。（正負(fù)電子質(zhì)量m=0.9110-30kg，光子的靜止質(zhì)量為零）11四個(gè)氫核變成一個(gè)氦核，同時(shí)