2017-2018學(xué)年高中物理 第四章 原子核 . 核力與結(jié)合能教學(xué)案 -5

1、學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精第四節(jié)核力與結(jié)合能目標(biāo)定位1。知道核力及其性質(zhì)。2.知道重核與輕核中中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)的數(shù)量多少關(guān)系。3.掌握結(jié)合能和平均結(jié)合能的概念。4。知道質(zhì)量虧損，理解愛因斯坦質(zhì)能方程，并能進(jìn)行有關(guān)核能的計算一、核力及其性質(zhì)1組成原子核的核子之間有很強(qiáng)的相互作用力，使核子能夠克服庫侖斥力而緊密地結(jié)合在一起，這種力稱為核力2核力是一種很強(qiáng)的力，在它的作用范圍內(nèi)核力比庫侖力大的多3核力是一種短程力在約0.5101521015 m的距離內(nèi)主要表現(xiàn)為引力;大于21015 m的距離時核力就迅速減小為零；在小于0.51015 m的距離內(nèi)，核力又轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)大的斥力而使核子不融合在一起二、重核與輕核

2、原子核中的質(zhì)子數(shù)又稱為原子序數(shù)，排在周期表比較靠后的元素對應(yīng)的原子核叫做重核，排在比較靠前的叫做輕核一般排在周期表最前面的輕核的質(zhì)子和中子數(shù)相等,但是大多數(shù)重核是中子多于質(zhì)子三、結(jié)合能1結(jié)合能:根據(jù)能量守恒，核子結(jié)合成原子核時也會放出一定的能量,這個能量叫做原子核的結(jié)合能2用高能量的光子照射氘核，可以使它分解為質(zhì)子和中子，核反應(yīng)方程是hhn。光子的能量大于或等于2。22 mev。相反的過程，一個中子和一個質(zhì)子結(jié)合成氘核會釋放出2.22 mev的能量這個能量以光子的形式輻射出去核反應(yīng)方程是nhh.3平均結(jié)合能：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比稱為該原子核的平均結(jié)合能它反映了一個原子核結(jié)合的緊密程度，平

3、均結(jié)合能越大，表示原子核結(jié)合得越穩(wěn)定4愛因斯坦質(zhì)能方程：emc2或emc2想一想有人認(rèn)為質(zhì)量虧損就是核子的個數(shù)變少了，這種認(rèn)識對不對？答案不對在核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒即核子的個數(shù)不變，只是核子組成原子核時,仿佛變“輕”了一些，原子核的質(zhì)量總是小于其全部核子質(zhì)量之和,即發(fā)生了質(zhì)量虧損，核子的個數(shù)并沒有變化預(yù)習(xí)完成后，請把你疑惑的問題記錄在下面的表格中問題1問題2問題3一、對核力的理解核力是原子核內(nèi)核子與核子之間的相互作用，它發(fā)生在質(zhì)子與質(zhì)子之間、質(zhì)子與中子之間、中子與中子之間,是一種超短程力，且是一種強(qiáng)相互作用，在作用的范圍內(nèi)，核力遠(yuǎn)大于庫侖力【例1】(多選)對于核力，以下說法正確的是（）a核力是弱

4、相互作用，作用力很小b核力是強(qiáng)相互作用的表現(xiàn)，是強(qiáng)力c核子之間的距離小于0。51015 m時,核力表現(xiàn)為斥力，因此核子不會融合在一起d人們對核力的了解很清楚，特別是在小于0。51015 m時核力的變化規(guī)律更清楚答案bc解析核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)，它的作用范圍在21015 m之內(nèi),核力比庫侖力大得多，因此選項b正確，a錯誤；核力在大于0。51015 m且小于21015 m時表現(xiàn)為吸引力，且隨距離的增大而減小;在距離小于0。51015 m時，核力表現(xiàn)為斥力，因此核子不會融合在一起，所以選項c正確；人們對核力的了解還不是很清楚,這正是科學(xué)家們奮力攻克的堡壘，故選項d不正確針對訓(xùn)練1下列關(guān)于核力的

5、說法正確的是(）a核力同萬有引力沒有區(qū)別,都是物體間的作用b核力就是電磁力c核力是短程力，作用范圍在21015 m之內(nèi)d核力與電荷有關(guān)答案c解析核力是短程力,超過21015 m，核力急劇下降幾乎消失，故c正確;核力與萬有引力、電磁力不同,故a、b錯;核力與電荷無關(guān)，故d錯二、結(jié)合能與平均結(jié)合能的理解1平均結(jié)合能曲線：不同原子核的平均結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化圖線如圖1所示圖1從圖中可看出，中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能大，輕核和重核的平均結(jié)合能都比中等質(zhì)量的原子核要小2當(dāng)平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化為平均結(jié)合能較大的原子核時會釋放核能3平均結(jié)合能又叫平均結(jié)合能,反映了原子核的穩(wěn)定程度平均結(jié)合能越大，表示原子

6、核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，中等核子數(shù)的原子核，平均結(jié)合能較大，原子核較穩(wěn)定【例2】下列關(guān)于結(jié)合能和平均結(jié)合能的說法中，正確的有(）a核子結(jié)合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量稱為結(jié)合能b平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，因此它的結(jié)合能也一定越大c重核與中等質(zhì)量原子核相比較，重核的結(jié)合能和平均結(jié)合能都大d中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和平均結(jié)合能均比輕核的要大答案d解析核子結(jié)合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，a選項錯誤；平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，但平均結(jié)合能越大的原子核，其結(jié)合能不一定大，例如中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能比重核大，但由于核子數(shù)比重核少，其結(jié)合能比重核反

7、而小,b、c選項錯誤;中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能比輕核的大，它的原子核內(nèi)核子數(shù)又比輕核多，因此它的結(jié)合能也比輕核大，d選項正確借題發(fā)揮結(jié)合能、平均結(jié)合能的對比理解(1）核子結(jié)合成原子核時一定釋放能量，原子核分解成核子時一定吸收能量吸收或釋放的能量越大,表明原子核的結(jié)合能越大（2)平均結(jié)合能為結(jié)合能與核子數(shù)的比值，平均結(jié)合能越大表明原子核越穩(wěn)定一般情況下，中等質(zhì)量的原子核比輕核和重核的平均結(jié)合能大針對訓(xùn)練2一個中子與某原子核發(fā)生核反應(yīng)，生成一個氘核，其核反應(yīng)方程式為_該反應(yīng)放出的能量為q，則氘核的平均結(jié)合能為_答案nhh解析方程式：nhh核子結(jié)合成原子核要放出能量,這個能量叫原子核的結(jié)合能它的結(jié)

8、合能與核子數(shù)之比，稱作平均結(jié)合能,由題意知氘核的核子數(shù)為2，所以平均結(jié)合能為.三、質(zhì)量虧損和核能的計算1對質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的理解（1）質(zhì)能方程愛因斯坦的相對論指出，物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，其關(guān)系是emc2.(2)質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消失，減少的質(zhì)量在核子結(jié)合成核的過程中以能量的形式輻射出去了物體質(zhì)量增加，則總能量隨之增加；質(zhì)量減少，總能量也隨之減少，這時質(zhì)能方程也寫作emc2。2核能的計算方法（1)根據(jù)質(zhì)量虧損計算根據(jù)核反應(yīng)方程,計算核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損m。根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程emc2計算核能其中m的單位是千克,e的單位是焦耳（2）利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特計算根據(jù)1

9、原子質(zhì)量單位（u）相當(dāng)于931。5 mev的能量，用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931。5 mev,即em931。5 mev。其中m的單位是u，e的單位是mev。【例3】某核反應(yīng)方程為hhhex.已知h的質(zhì)量為2.013 6 u，h的質(zhì)量為3.018 0 u,he的質(zhì)量為4。002 6 u,x的質(zhì)量為1.008 7 u則下列說法中正確的是()ax是質(zhì)子,該反應(yīng)釋放能量bx是中子，該反應(yīng)釋放能量cx是質(zhì)子，該反應(yīng)吸收能量dx是中子，該反應(yīng)吸收能量答案b解析由題目所給核反應(yīng)方程式，根據(jù)核反應(yīng)過程質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒規(guī)律，可得hhhex,x為中子,在該反應(yīng)發(fā)生前反應(yīng)物的總質(zhì)量m12.

10、013 6 u3。018 0 u5.031 6 u,反應(yīng)后產(chǎn)物總質(zhì)量m24.002 6 u1.008 7 u5。011 3 u總質(zhì)量減少,出現(xiàn)了質(zhì)量虧損根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程可知該反應(yīng)釋放能量，故b正確借題發(fā)揮在核反應(yīng)中，是釋放能量還是吸收能量，需要確定反應(yīng)前、后質(zhì)量的變化若反應(yīng)后質(zhì)量減少即發(fā)生了質(zhì)量虧損，則釋放出能量，反之吸收能量由于不明確質(zhì)量虧損的含義與能量的關(guān)系,易誤選d。注意此反應(yīng)過程質(zhì)量發(fā)生虧損，釋放出能量【例4】已知氮核質(zhì)量mn14。007 53 u，氧17核的質(zhì)量mo17.004 54 u，氦核質(zhì)量mhe4.003 87 u,氫核質(zhì)量mh1.008 15 u，試判斷:nheoh這

11、一核反應(yīng)是吸收能量還是放出能量?能量變化是多少？答案吸收能量1。2 mev解析反應(yīng)前總質(zhì)量：mnmhe18。011 40 u,反應(yīng)后總質(zhì)量：momh18。012 69 u可以看出：反應(yīng)后總質(zhì)量增加，故該反應(yīng)是吸收能量的反應(yīng)吸收的能量利用emc2來計算，若反應(yīng)過程中質(zhì)量增加1 u,就會吸收931.5 mev的能量,故e(18。012 6918。011 40)931.5 mev1.2 mev。針對訓(xùn)練3在某些恒星內(nèi),3個粒子結(jié)合成1個c核，c原子的質(zhì)量是12。000 0 u，he原子的質(zhì)量是4。002 6 u已知1 u1.661027 kg，則下列選項錯誤的是()a反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損是0。007

12、 8 ub反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損是1.291029 kgc反應(yīng)過程中釋放的能量是7.27 mevd反應(yīng)過程中釋放的能量是1。161019 j答案d解析由題意可得核反應(yīng)方程為3hece，則核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為m(34。002 612。 000 0） u0.007 8 1。661027 kg1.291029 kg，由質(zhì)能方程得e mc21。291029(3108)2 j1.1611012 j7.27 mev，故a、b、c正確,d錯.對核力和結(jié)合能的理解1下列對核力的認(rèn)識正確的是（）a任何物體之間均存在核力b核力廣泛存在于自然界中的核子之間c核力只存在于質(zhì)子之間d核力只發(fā)生在相距21015 m的核子之

13、間，大于0。51015 m為吸引力,而小于0.51015 m為斥力答案d解析由核力的特點知道，只有相距21015 m的核子之間才存在核力，核力發(fā)生在質(zhì)子與質(zhì)子、質(zhì)子與中子、中子與中子之間，由此知d選項正確2關(guān)于原子核的結(jié)合能與平均結(jié)合能，下列說法中不正確的是（）a原子核的結(jié)合能等于核子與核子之間結(jié)合成原子核時，核力做的功b原子核的結(jié)合能等于核子從原子核中分離，外力克服核力做的功c平均結(jié)合能是核子與核子結(jié)合成原子核時平均每個核子放出的能量d不同原子核的平均結(jié)合能不同，重核的平均結(jié)合能比輕核的平均結(jié)合能大答案d解析原子核中，核子與核子之間存在核力,要將核子從原子核中分離，需要外力克服核力做功當(dāng)自由

14、核子結(jié)合成原子核時,核力將做正功，釋放能量對某種原子核,平均每個核子的結(jié)合能稱為平均結(jié)合能也稱為平均結(jié)合能不同原子核的平均結(jié)合能不同重核的平均結(jié)合能比中等質(zhì)量核的平均結(jié)合能要小，輕核的平均結(jié)合能比稍重的核的平均結(jié)合能要小質(zhì)量虧損和核能的計算3為紀(jì)念愛因斯坦對物理學(xué)的巨大貢獻(xiàn)，聯(lián)合國將2005年定為“國際物理年”對于愛因斯坦提出的質(zhì)能方程emc2，下列說法中不正確的是（）aemc2表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比b根據(jù)emc2可以計算核反應(yīng)中釋放的核能c一個中子和一個質(zhì)子結(jié)合成氘核時，釋放出核能，表明此過程中出現(xiàn)了質(zhì)量虧損demc2中的e是發(fā)生核反應(yīng)中釋放的核能答案d解析愛因斯坦質(zhì)能方程emc2

15、，定量地指出了物體能量和質(zhì)量之間的關(guān)系,a正確；由質(zhì)能方程知，當(dāng)物體的質(zhì)量減少時，物體的能量降低，向外釋放了能量;反之，若物體的質(zhì)量增加了，則物體的能量升高，表明它從外界吸收了能量，所以由物體的質(zhì)量變化能算出物體的能量變化，故b、c正確，d錯誤4質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為m1、m2和m3。當(dāng)一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成氘核時，釋放的能量是(c表示真空中的光速)（）a（m1m2m3）c b（m1m2m3)cc(m1m2m3)c2 d（m1m2m3)c2答案c解析根據(jù)質(zhì)能方程，emc2，其中m(m1m2m3），則e(m1m2m3)c2，c正確5一個鋰核（li)受到一個質(zhì)子的轟擊，變成兩個粒子已知質(zhì)子

16、的質(zhì)量是1。673 61027 kg，鋰核的質(zhì)量是11。650 51027 kg，氦核的質(zhì)量是6.646 61027 kg。(1）寫出上述核反應(yīng)的方程；（2)計算上述核反應(yīng)釋放出的能量(保留3位有效數(shù)字)答案(1) lih2he（2）2。781012 j解析(1） lih2he(2）核反應(yīng)的質(zhì)量虧損mmlimp2m（11.650 510271。673 6102726。646 61027） kg3.091029 kg釋放的能量emc23。091029(3108）2 j2.781012 j（時間：60分鐘）題組一對結(jié)合能的理解1(多選）關(guān)于原子核的結(jié)合能，下列說法正確的是(）a原子核的結(jié)合能等于使

17、其完全分解成自由核子所需的最小能量b一重原子核衰變成粒子和另一原子核，衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié)合能c平均結(jié)合能越大，原子核越不穩(wěn)定d自由核子組成原子核時，其質(zhì)量虧損所對應(yīng)的能量大于該原子核的結(jié)合能答案ab解析結(jié)合能是把核子分開所需的最小能量，選項a正確；一重原子核衰變成粒子和另一原子核,存在質(zhì)量虧損，核子平均結(jié)合能增大，衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié)合能,選項b正確；平均結(jié)合能越大,分開核子所需的能量越大,原子核越穩(wěn)定，選項c錯誤;自由核子組成原子核時，其質(zhì)量虧損所對應(yīng)的能量等于該原子核的結(jié)合能，選項d錯誤2(多選）對結(jié)合能、平均結(jié)合能的認(rèn)識，下列正確的是(）a一切原

18、子核均具有結(jié)合能b自由核子結(jié)合為原子核時，可能吸收能量c結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定d平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定答案ad解析由自由核子結(jié)合成原子核的過程中，核力做正功，釋放出能量；反之，將原子核分開變?yōu)樽杂珊俗訒r需要吸收相應(yīng)的能量,該能量即為結(jié)合能，故a正確，b錯誤;核子較多的原子核的結(jié)合能大，但它的平均結(jié)合能不一定大，平均結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定性，故c錯誤,d正確題組二質(zhì)量虧損、核能的計算3。如圖1所示是描述原子核核子的平均質(zhì)量與原子序數(shù)z的關(guān)系曲線，由圖可知下列說法正確的是（)圖1a將原子核a分解為原子核b、c可能吸收能量b將原子核d、e結(jié)合成原子核f可能吸收能量c將原子核a分解為原

19、子核b、f一定釋放能量d將原子核f、c結(jié)合成原子核b一定釋放能量答案c解析因b、c核子平均質(zhì)量小于a的核子平均質(zhì)量，故a分解為b、c時，會出現(xiàn)質(zhì)量虧損，故放出核能,a錯，同理可得b、d錯,c正確4對公式emc2的理解不正確的是(）a如果物體的能量減少了e,它的質(zhì)量也一定相應(yīng)減少mb如果物體的質(zhì)量增加了m,它的能量也一定相應(yīng)增加mc2cm是某原子核在衰變過程中增加的質(zhì)量d在把核子結(jié)合成原子核時，若放出的能量是e，則這些核子的質(zhì)量和與組成原子核的質(zhì)量之差就是m答案c解析一定質(zhì)量對應(yīng)于一定的能量，物體的能量減少了e,它的質(zhì)量也一定相應(yīng)減少m,即發(fā)生質(zhì)量虧損,所以選項a、d正確；如果物體的質(zhì)量增加了m

20、，它的能量一定相應(yīng)增加mc2，所以選項b正確；某原子核在衰變時，一定發(fā)生質(zhì)量虧損，所以選項c錯誤5(多選）一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成氘核，同時放出光子,核反應(yīng)方程是hnh,以下說法中正確的是（）a反應(yīng)后氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和b反應(yīng)前后的質(zhì)量數(shù)不變，因而質(zhì)量不變c光子的能量為mc2,m 為反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，c為光在真空中的速度d因存在質(zhì)量虧損m，所以“物質(zhì)不滅”的說法不正確答案ac解析核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)及能量均守恒,由于反應(yīng)中要釋放核能，釋放的能量會以光子的形式向外釋放，核反應(yīng)中會出現(xiàn)質(zhì)量虧損，反應(yīng)中氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和，所以質(zhì)量不守恒故正確答案為

21、a、c.6原子質(zhì)量單位為u，1 u相當(dāng)于931。5 mev的能量，真空中光速為c,當(dāng)質(zhì)量分別為m1和m2的原子核結(jié)合為質(zhì)量為m的原子核時釋放出的能量是（）a(mm1m2）uc2b(m1m2m）u931。5 jc（m1m2m)c2d(m1m2m）931.5 ev答案c解析在核能計算時，如果質(zhì)量的單位是kg，則用emc2進(jìn)行計算，如果質(zhì)量的單位是u，則利用1 u相當(dāng)于931。5 mev的能量計算，即em931。5 mev進(jìn)行計算,故c正確，a、b、d錯7(多選)中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核時，質(zhì)量虧損為m，相應(yīng)的能量emc22.2 mev是氘核的結(jié)合能下列說法正確的是（）a用能量小于2。2 mev的光子照

22、射靜止氘核時,氘核不能分解為一個質(zhì)子和一個中子b用能量小于2.2 mev的光子照射靜止氘核時，氘核可能分解為一個質(zhì)子和一個中子,它們的動能之和為零c用能量大于2。2 mev的光子照射靜止氘核時,氘核可能分解為一個質(zhì)子和一個中子，它們的動能之和為零d用能量大于2.2 mev的光子照射靜止氘核時，氘核可能分解為一個質(zhì)子和一個中子，它們的動能之和不為零答案ad解析用能量小于結(jié)合能的光子照射氘核時,氘核一定不能分解，所以a正確，b錯誤；用能量大于結(jié)合能的光子照射氘核時，氘核可能分解，只要分解，分解出的質(zhì)子和中子動能之和一定不為零(若動能之和為零就分不開了),所以c錯誤，d正確8氘核和氚核聚變時的核反應(yīng)

23、方程為hhhen，已知h的平均結(jié)合能是2。78 mev，h的平均結(jié)合能是1.09 mev，he的平均結(jié)合能是7.03 mev,則核反應(yīng)時釋放的能量為_mev.答案17。6解析聚變反應(yīng)前氘核和氚核的總結(jié)合能e1(1。0922。783) mev10。52 mev.反應(yīng)后生成的氦核的結(jié)合能e27。034 mev28。12 mev。由于單個核子無結(jié)合能，所以聚變過程釋放出的能量為ee2e1(28.1210。52) mev17。6 mev。題組三綜合應(yīng)用9歷史上第一次利用加速器實現(xiàn)的核反應(yīng)，是用加速后動能為0。5 mev的質(zhì)子h轟擊靜止的x，生成兩個動能均為8。9 mev的he.（1 mev1.61013 j)（1）上述核反應(yīng)方程為_(2)質(zhì)量虧損為_kg。答案(1)hx2he(或hli2he)(2)3.11029解析(1)根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可寫出核反應(yīng)方程為hx2he或hli2he.（2）設(shè)反應(yīng)前質(zhì)子的動能為ek0，反應(yīng)后he的動能為ek，由于質(zhì)量虧損而釋放的能量為e2ekek0(28.90.5) mev17。