高中物理第十九章原子核5核力與結合能學案新人教版選修

1、5核力與結合能學 習 目 標知 識 脈 絡1.了解四種基本相互作用，知道核力的特點2認識原子核的結合能及質量虧損，并能應用質能方程進行計算3能簡單解釋輕核和重核內中子數(shù)、質子數(shù)具有不同比例的原因.核 力 與 四 種 基 本 相 互 作 用eq avs4al(先填空)1核力原子核內核子之間的相互作用力2核力的特點(1)核力是強相互作用的一種表現(xiàn)，在原子核內，核力比庫侖力大得多(2)核力是短程力，作用范圍在1.51015_m之內(3)核力的飽和性：每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用3四種基本相互作用4原子核中質子與中子的比例(1)較輕原子核：質子數(shù)和中子數(shù)大致相等(2)較重原子核：中子數(shù)大于質子數(shù)

2、，越重的元素兩者相差越多eq avs4al(再判斷)1原子核中粒子所受的萬有引力和電磁力可以達到平衡()2核力是強相互作用，在任何情況下都比庫侖力大()3弱相互作用是引起原子核衰變的原因()eq avs4al(后思考)四種基本相互作用分別在不同尺度上發(fā)揮作用，將他們按照作用距離由小到大排列，應怎樣排列？【提示】弱相互作用的作用距離為1018 m，強相互作用的作用距離為1015 m，電磁力主要體現(xiàn)在原子、分子層面，萬有引力主要在宏觀和宏觀尺度上發(fā)揮作用所以順序為：弱相互作用、強相互作用、電磁相互作用、萬有引力eq avs4al(合作探討)探討1：原子核中的質子數(shù)與中子數(shù)有怎樣的數(shù)量關系？【提示】

3、較輕的原子核(原子序數(shù)小于20)質子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但隨著原子序數(shù)的增加(原子序數(shù)大于20)，穩(wěn)定原子核中的中子數(shù)大于質子數(shù)，且原子序數(shù)越大，兩者相差越大探討2：原子核中任意兩個核子之間都存在核力嗎？【提示】不是核力是短程力，只有相鄰的兩個核子之間才存在核力eq avs4al(核心點擊)1四種基本相互作用在不同尺度上發(fā)揮作用(1)引力相互作用，引力主要在宏觀和宏觀尺度上“獨領風騷”是引力使行星繞著恒星轉，并且聯(lián)系著星系團，決定著宇宙的現(xiàn)狀萬有引力是長程力(2)電磁相互作用：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，使原子結合成分子，使分子結合成液體和固體(3)強力：即強相互作用

4、，在原子核內，強力將核子束縛在一起，強力是短程力(4)弱相互作用：弱相互作用是引起原子核衰變的原因，即引起中子質子轉變的原因弱相互作用也是短程力，其力程比強力更短，為1018 m，作用強度則比電磁力小2核力的性質(1)核力是四種相互作用中的強相互作用(強力)的一種表現(xiàn)(2)核力是短程力約在1015 m數(shù)量級時起作用，距離大于0.81015 m時為引力，距離小于0.81015 m時為斥力，距離為101015 m時核力幾乎消失(3)核力具有飽和性。核子只對相鄰的少數(shù)核子產生較強的引力，而不是與核內所有核子發(fā)生作用(4)核力具有電荷無關性。核力與核子電荷無關3原子核中質子與中子的比例關系(1)較輕的

5、原子核質子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對于較重的原子核中子數(shù)大于質子數(shù)，越重的原子核，兩者相差越多(2)形成原因：若質子與中子成對地人工構建原子核，隨原子核的增大，核子間的距離增大，核力和電磁力都會減小，但核力減小得更快所以當原子核增大到一定程度時，相距較遠的質子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個原子核就不穩(wěn)定了若只增加中子，因為中子與其他核子沒有庫侖斥力，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大到其間根本沒有核力的作用，這時候再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的1對核

6、力的認識，下列說法正確的是()A任何物體之間均存在核力B每個核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用C核力只存在于質子之間D核力只發(fā)生在相距1.51015 m的核子之間，大于0.81015 m為吸引力，而小于0.81015 m為斥力E核力是強相互作用的一種表現(xiàn)【解析】由核力的特點知道，只有相距1.51015 m的核子之間存在核力，核力發(fā)生在核子之間【答案】BDE2對原子核的組成，下列說法正確的是()A核力可使一些中子組成原子核B核力可使非常多的質子組成原子核C自然界中存在只有質子的原子核D質量較大的原子核內一定有中子E越重的元素，核子中子數(shù)與質子數(shù)相差越多【解析】由于原子核帶正電，不存在只有中子的原子核

7、，但核力也不能把非常多的質子聚集在一起組成原子核，原因是核力是短程力，質子之間還存在“長程力”庫侖力，A、B錯誤；自然界中存在只有一個質子的原子核，如eq oal(1,1)H，C正確；較大質量的原子核內只有存在一些中子，才能削弱庫侖力，維系原子核的穩(wěn)定，故D、E正確. 【答案】CDE3關于原子核中質子和中子的說法，正確的是()A原子核中質子數(shù)和中子數(shù)一定相等B穩(wěn)定的重原子核里，質子數(shù)比中子數(shù)少C原子核都是非常穩(wěn)定的D由于核力的作用范圍是有限的，核力具有飽和性，不可能無節(jié)制地增大原子核而仍穩(wěn)定存在E原子序數(shù)大于或等于83的元素都是不穩(wěn)定的【解析】由穩(wěn)定核的質子數(shù)與中子數(shù)的關系圖像可知，質量越大的

8、原子核內中子數(shù)比質子數(shù)多得越多，故A錯誤B正確；原子核可以發(fā)生衰變，且原子序數(shù)大于或等于83的元素都有放射性，故C錯誤E正確；由核力作用特點可知，核子數(shù)越多的原子核越不穩(wěn)定，故D正確【答案】BDE1核力是強相互作用力，只存在于相鄰核子之間.2核力的存在與核子是否帶電及電性無關.3原子核的穩(wěn)定性與核力和庫侖力的大小關系有關.結 合 能 和 質 量 虧 損eq avs4al(先填空)1結合能原子核是核子憑借核力結合在一起構成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結合能2比結合能原子核的結合能與核子數(shù)之比，稱作比結合能，也叫平均結合能比結合能越大，表示原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定中等

9、大小的核的比結合能最大，最穩(wěn)定3質能方程物體的能量與它們質量的關系是：Emc2.4質量虧損原子核的質量小于組成它的核子的質量之和的現(xiàn)象eq avs4al(再判斷)1原子核的結合能就是核子結合成原子核時需要的能量()2比結合能越大，原子核越穩(wěn)定()3質能方程Emc2表明了質量與能量間的一種對應關系()eq avs4al(后思考)有人認為質量虧損就是核子的個數(shù)變少了，這種認識對不對？【提示】不對在核反應中質量數(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，原子核的質量總是小于其全部核子質量之和，即發(fā)生了質量虧損，核子的個數(shù)并沒有變化eq avs4al(合作探討)一個靜止的鈾核eq

10、 oal(232, 92)U(原子質量為232.037 2 u)放出一個粒子(原子質量為4.002 6 u)后衰變成釷核eq oal(228, 90)Th(原子質量為228.028 7 u)，同時釋放出一定量的核能探討1：鈾核eq oal(232, 92)U衰變過程中的質量虧損是多少？【提示】m232.0372 u4.002 6 u228.028 7 u0.005 9 u.探討2：核反應過程發(fā)生了質量虧損，同時釋放出核能，能說這部分質量轉變?yōu)槟芰苛藛?？【提示】不能物體的質量包括靜止質量和運動質量，質量虧損指的是靜止質量的減少，并不是這部分質量消失了或轉變?yōu)槟芰縠q avs4al(核心點擊)1比

11、結合能與原子核穩(wěn)定的關系(1)比結合能的大小能夠反映原子核的穩(wěn)定程度，比結合能越大，原子核就越難拆開，表示該原子核就越穩(wěn)定(2)核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，比結合能都比較小，表示原子核不太穩(wěn)定；中等核子數(shù)的原子核，比結合能較大，表示原子核較穩(wěn)定. (3)當比結合能較小的原子核轉化成比結合能較大的原子核時，就可能釋放核能。例如，一個核子數(shù)較大的重核分裂成兩個核子數(shù)小一些的核，或者兩個核子數(shù)很小的輕核結合成一個核子數(shù)大一些的核，都能釋放出巨大的核能2對質能方程和質量虧損的理解(1)質能方程質能方程：愛因斯坦的相對論指出，物體的能量和質量之間存在著密切的聯(lián)系，其關系是Emc2.(2)質量虧損

12、質量虧損，并不是質量消失，減少的質量在核子結合成核的過程中以能量的形式輻射出去了物體質量增加，則總能量隨之增加；質量減少，總能量也隨之減少，這時質能方程也寫為Emc2.3核能的計算方法(1)根據(jù)質量虧損計算根據(jù)核反應方程，計算核反應前后的質量虧損m.根據(jù)愛因斯坦質能方程Emc2計算核能其中m的單位是千克，E的單位是焦耳(2)利用原子質量單位u和電子伏特計算根據(jù)1原子質量單位(u)相當于931.5 MeV的能量，用核子結合成原子核時質量虧損的原子質量單位數(shù)乘以931.5 MeV，即Em931.5 MeV.其中m的單位是u，E的單位是MeV.4下列關于結合能和比結合能的說法中，正確的有()A核子結

13、合成原子核時放出能量B原子核拆解成核子時要吸收能量C比結合能越大的原子核越穩(wěn)定，因此它的結合能也一定越大D重核與中等質量原子核相比較，重核的結合能和比結合能都大E中等質量原子核的結合能和比結合能均比輕核的要大【解析】核子結合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，A、B正確；比結合能越大的原子核越穩(wěn)定，但比結合能越大的原子核，其結合能不一定大，例如中等質量原子核的比結合能比重核大，但由于核子數(shù)比重核少，其結合能比重核反而小，C、D選項錯誤；中等質量原子核的比結合能比輕核的大，它的原子核內核子數(shù)又比輕核多，因此它的結合能也比輕核大，E選項正確【答案】ABE5關于質能方程，下列哪些說法是正

14、確的()A質量減少，能量就會增加，在一定條件下質量轉化為能量B物體獲得一定的能量，它的質量也相應地增加一定值C物體一定有質量，但不一定有能量，所以質能方程僅是某種特殊條件下的數(shù)量關系D一定量的質量總是與一定量的能量相聯(lián)系的E物體的質量減少，總能量也隨之減少【解析】質能方程Emc2表明某一定量的質量與一定量的能量是相聯(lián)系的，當物體獲得一定的能量，即能量增加某一定值時，它的質量也相應增加一定值，并可根據(jù)Emc2進行計算，故B、D、E對【答案】BDE6(2015江蘇高考)取質子的質量mp1.672 61027 kg，中子的質量mn1.674 91027 kg，粒子的質量m6.646 71027 kg

15、，光速c3.0108 m/s.請計算粒子的結合能(計算結果保留兩位有效數(shù)字)【解析】組成粒子的核子與粒子的質量差m(2mp2mn)m結合能Emc2代入數(shù)據(jù)得E4.31012 J.【答案】4.31012 J核能的兩種單位(1)若以kg為質量虧損m的單位，則計算時應用公式Emc2.(2)若以原子單位“u”為質量虧損單位，則Em931.5 MeV.(3)兩種方法計算的核能的單位分別為“J”和“MeV”，1 MeV11061.61019 J1.61013 J學業(yè)分層測評(十六) (建議用時：45分鐘) 學業(yè)達標1放射性元素在衰變過程中，有些放出射線，有些放出射線，有些在放出射線或射線的同時，還以射線的

16、形式釋放能量例如eq oal(234, 90)Th核的衰變過程可表示為eq oal(234, 90)Theq oal(234, 91)Paeq oal( 0,1)e，對于這個衰變下列說法正確的是()A是衰變B產生的eq oal(234, 91)Pa核從低能級向高能級躍遷C是衰變D產生的eq oal(234, 91)Pa核從高能級向低能級躍遷E放出的射線是波長很短的光子【解析】由核反應方程電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒可知生成了eq oal(0,1)e，并釋放出能量，故選項A、D、E正確【答案】ADE2一個質子和一個中子結合成氘核，同時放出光子，核反應方程是eq oal(1,1)Heq oal(1,0)

17、neq oal(2,1)H，以下說法中正確的是()A反應后氘核的質量一定小于反應前質子和中子的質量之和B反應前后的質量數(shù)不變，因而質量不變C反應前后質量數(shù)不變，但會出質量虧損D光子的能量為mc2，m為反應中的質量虧損，c為光在真空中的速度E因存在質量虧損m，所以“物質不滅”的說法不正確【解析】核反應中質量數(shù)與電荷數(shù)及能量均守恒，由于反應中要釋放核能，會出現(xiàn)質量虧損，反應中氘核的質量一定小于反應前質子和中子的質量之和，所以質量不守恒，但質量數(shù)不變，且能量守恒，釋放的能量會以光子的形式向外釋放，故正確答案為A、C、D.【答案】ACD3如圖1951所示是描述原子核核子的平均質量eq xto(m)與原

18、子序數(shù)Z的關系曲線，由圖可知下列說法正確的是 ()圖1951A將原子核A分解為原子核B、C一定放出能量B將原子核D、E結合成原子核F可能吸收能量C將原子核A分解為原子核B、F一定釋放能量D將原子核F、C結合成原子核B一定釋放能量E將原子核F、C結合成原子核B時一定吸收能量【解析】因B、C核子平均質量小于A的核子平均質量，故A分解為B、C時，會出現(xiàn)質量虧損，故放出核能，故A正確，同理可得B、D錯，C、E正確【答案】ACE4在下列判斷中，正確的是()A組成eq oal(238, 92)U核的核子中只有相鄰核子之間才存在不可忽略的核力作用B組成eq oal(238, 92)U核的中子中任何兩個中子之

19、間都存在不可忽略的核力作用C組成eq oal(238, 92)U核的質子中任何兩個質子之間都存在不可忽略的庫侖斥力作用D組成eq oal(238, 92)U核的質子中任何兩個質子之間都存在不可忽略的核力作用E組成eq oal(238, 92)U核的質子中只有相鄰的質子間才存在不可忽略的核力作用【解析】核力屬于短程力，由于組成eq oal(238, 92)U核的核子較多，兩核子之間的距離可能超過核力的作用范圍，所以某些核子之間的作用力可能比較小，所以選項A、E正確，B、D錯誤，但兩質子之間都存在庫侖斥力的作用，所以選項C正確【答案】ACE5中子比質子更容易擊中原子核的原因是_【解析】由于中子不帶

20、電，與原子核之間不存在庫侖斥力，所以，它比其他粒子更易接近原子核并打進內部去【答案】中子不帶電6科學研究表明，自然界存在四種基本相互作用我們知道分子之間也存在相互作用的引力和斥力，那么分子力實質上是屬于_【解析】分子力作用范圍約在1010 m數(shù)量級上強相互作用和弱相互作用都是短程力，作用范圍在1015 m和1018 m之內，在分子力作用距離上都不存在在分子力作用范圍內引力相互作用和電磁相互作用都存在，但由于電磁力遠大于萬有引力，引力相互作用可以忽略不計，因此分子力本質上屬于電磁相互作用【答案】電磁相互作用7當兩個中子和兩個質子結合成一個粒子時，放出28.30 MeV的能量，當三個粒子結合成一個

21、碳核時，放出7.26 MeV的能量，則當6個中子和6個質子結合成一個碳核時，釋放的能量約為_【導學號：66390052】【解析】6個中子和6個質子可結合成3個粒子，放出能量328.30 MeV84.9 MeV，3個粒子再結合成一個碳核，放出7.26 MeV能量，故6個中子和6個質子結合成一個碳核時，釋放能量為849 MeV7.26 MeV92.16 MeV.【答案】92.16 MeV8激光中子是由重原子核吸收光子后發(fā)射中子而產生的，光子的極限能量大約是10 MeV.假定中子從原子核上向外移開距離1013 cm所受的力保持不變，則平均核力的數(shù)量級是_. 【導學號：66390053】【解析】核力是

22、一種很強的力，應存在于相鄰的核子之間，作用范圍在1.51015 m之內，由題意知：eq xto(F)dWE，則eq xto(F)eq f(101061.61019,1013102) N1.6103 N.【答案】103 N能力提升9下列說法中，正確的是()A愛因斯坦質能方程反映了物體的質量就是能量，它們之間可以相互轉化B由Emc2可知，能量與質量之間存在著正比關系，可以用物體的質量作為它所蘊藏的能量的量度C核反應中發(fā)現(xiàn)的“質量虧損”是由靜止質量變成運動質量D因為在核反應中產生能量，有質量的轉化，所以系統(tǒng)只有質量數(shù)守恒，系統(tǒng)的總能量和總質量并不守恒E在核反應中系統(tǒng)的總能量和總質量是守恒的【解析】E

23、mc2說明能量和質量之間存在著聯(lián)系，即能量與質量之間存在著正比關系，但并不說明能量和質量之間存在相互轉化的關系，故A項錯誤，而B項正確；核反應中的“質量虧損”并不是質量消失，實際上是由靜止的質量變成運動的質量，并不是質量轉變成能量，故C項正確；在核反應中，質量守恒，能量也守恒，在核反應前后只是能量的存在方式不同，總能量不變，在核反應前后只是物質由靜質量變成動質量，故D錯誤E正確【答案】BCE10原來靜止的原子核eq oal(A,Z)X質量為m1，處在區(qū)域足夠大的勻強磁場中，經(jīng)衰變后變成質量為m2的原子核Y，粒子的質量為m3，已測得粒子的速度垂直于磁場B，且動能為E0，假定原子核X衰變時釋放的核

24、能全部轉化為動能，則下列四個結論中，正確的是() 【導學號：66390054】A核Y與粒子在磁場中運動的周期之比為eq f(2,Z2)B核Y與粒子在磁場中運動的半徑之比為eq f(2,Z2)C此衰變過程中的質量虧損為m1m2m3D此衰變過程中釋放的核能為eq f(AE0,A4)E此衰變過程中釋放的核能為eq f(A4,A)E0【解析】原子核發(fā)生衰變時核子質量數(shù)減小4而核電荷數(shù)減小2.由題意知X核原先靜止，則衰變后粒子和反沖核Y的動量大小相等，由Req f(mv,Bq)知RYRqqY2(Z2)，故B項正確；而周期之比由Teq f(2m,Bq)知TYTeq f(mY,qY)eq f(q,m)eq

25、f(A4,2Z2)，故A項錯誤；該過程質量虧損mm1(m2m3)，故C項正確；由Ekeq f(p2,2m)知Y核的動能EkYeq f(4E0,A4)，則釋放的核能EEkEkYeq f(AE0,A4)，故D項正確【答案】BCD11歷史上第一次利用加速器實現(xiàn)的核反應，是用加速后動能為0.5 MeV的質子eq oal(1,1)H轟擊靜止的eq oal(A,Z)X，生成兩個動能均為8.9 MeV的eq oal(4,2)He.(1 MeV1.61013 J)(1)上述核反應方程為_(2)質量虧損為_kg. 【導學號：66390055】【解析】(1)根據(jù)電荷數(shù)和質量數(shù)守恒可寫出核反應方程為eq oal(1,1)Heq oal(7,3)Xeq oal(4,2)Heeq oal(4,2)He或eq oal(1,1)Heq oal(7,3)Lieq oal