高中物理魯科版5第四章核能第1節(jié)核力與核能 2023版第4章第1節(jié)核力與核能

第1節(jié)核力與核能學(xué)習(xí)目標(biāo)知識脈絡(luò)1.認(rèn)識核素圖，知道核力的概念及特點(diǎn)．(重點(diǎn))2.知道穩(wěn)定原子核中質(zhì)子與中子的比例隨著原子序數(shù)的增大而減小．(重點(diǎn))3.理解結(jié)合能及平均結(jié)合能的概念，知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損．(難點(diǎn))4.掌握愛因斯坦質(zhì)能方程，理解質(zhì)量與能量的關(guān)系，能應(yīng)用質(zhì)能方程進(jìn)行計(jì)算．(重點(diǎn))核力與核的穩(wěn)定性eq\o([先填空])1．核力把原子核中的核子維系在一起的力．2．核力特點(diǎn)(1)核力是短程力，作用范圍在2fm(1fm＝10－15m)左右，它不能延伸到3fm以外．(2)當(dāng)兩核子間距離減小時(shí)，核力也迅速減小，至一定值時(shí)，核力表現(xiàn)為斥力．(3)核力是一種強(qiáng)相互作用，若兩質(zhì)子之間的距離為1fm，庫侖力是200N左右，核力必須非常強(qiáng)才能抵消所有質(zhì)子庫侖力的作用．3．核素具有一定數(shù)目質(zhì)子和一定數(shù)目中子的一種原子．4．核素圖用橫坐標(biāo)表示質(zhì)子數(shù)，縱坐標(biāo)表示中子數(shù)，每一種核素用一小方塊表示，所得到的圖象．5．核的穩(wěn)定性(1)核素的穩(wěn)定區(qū)：幾乎全落在一條曲線上，或緊靠曲線的兩側(cè)區(qū)域．(2)穩(wěn)定核素的中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)的關(guān)系：隨著Z的增加，穩(wěn)定核素的中子數(shù)越來越大于質(zhì)子數(shù)．eq\o([再判斷])1．原子核內(nèi)的質(zhì)子間均存在核力和庫侖力．(×)2．穩(wěn)定原子核的質(zhì)子數(shù)總是與中子數(shù)相等．(×)3．對質(zhì)子數(shù)較多的原子核，其中的中子數(shù)起到增加核力、維系原子核穩(wěn)定的作用．(√)eq\o([后思考])原子核是由中子和質(zhì)子組成的，在原子核狹小的空間里，帶正電的質(zhì)子為什么能擠在一起而不飛散？【提示】組成原子核的相鄰的核子間存在核力．eq\o([核心點(diǎn)擊])1．原子核中核子比例關(guān)系：自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等；對于較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)．越重的原子核，兩者相差越多．2．形成原因及原子核的穩(wěn)定性(1)原子核大到一定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力非常小，較多的質(zhì)子聚集在一起的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，原子核就不穩(wěn)定了．這時(shí)，不再成對地增加質(zhì)子和中子，而只增加中子，中子與其他核子間沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，有助于維系原子核的穩(wěn)定性．(2)核力的飽和性：穩(wěn)定的重原子核里，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，核力具有飽和性，如果我們繼續(xù)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(shí)即使再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的．所以，原子核的大小也受到限制．1．(多選)關(guān)于核力，下列說法中正確的是()A．原子核內(nèi)每個(gè)核子只跟與它們相鄰的核子間才有核力作用B．核力既可能是引力，又可能是斥力C．核力對核子做正功，原子核要釋放核能D．原子核內(nèi)相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)核子間沒有核力作用，但一定有庫侖力作用【解析】核力表現(xiàn)為引力時(shí)隨核子間距離的增大而減小，表現(xiàn)為斥力時(shí)使核子不會融合在一起，故B正確；核力是短程力，只有在×10－15m左右的范圍內(nèi)起作用，故A正確；核子結(jié)合成原子核時(shí)，核力對核子做正功，原子核釋放一定的能量，故C正確；原子核內(nèi)兩核子相距較遠(yuǎn)時(shí)沒有核力作用，核內(nèi)質(zhì)子與中子間不會有庫侖力作用，D錯(cuò)誤．【答案】ABC2.核子結(jié)合成原子核的下列說法中，正確的是()A．原子核內(nèi)的核子間均存在核力B．原子核內(nèi)的質(zhì)子間均存在核力和庫侖力C．當(dāng)n個(gè)核子靠近到核力作用的范圍而結(jié)合為原子核時(shí)，其間勢能一定增加D．質(zhì)子數(shù)較多的原子核，其中的中子起到增加核力、維系原子核穩(wěn)定的作用【解析】由于核力為短程力，只會發(fā)生在相鄰核子之間，與核子是否帶電無關(guān)，由此知A、B錯(cuò)誤；當(dāng)n個(gè)核子靠近到核力作用范圍內(nèi)，而距離大于×10－15m時(shí)，核力表現(xiàn)為引力，在此過程中核力必做正功，其間勢能必定減小，形成原子核后距離一般不小于×10－15m，故C錯(cuò)誤；質(zhì)子數(shù)較多的原子核由于只有相鄰的核子間才有核力，但各個(gè)質(zhì)子間均有很強(qiáng)的庫侖斥力，隨著質(zhì)子數(shù)的增加，其庫侖力增加，對于穩(wěn)定的原子核，必須存在較多的中子才能維系二者的平衡，故D正確．【答案】D結(jié)合能與平均結(jié)合能eq\o([先填空])1．結(jié)合能核子結(jié)合成原子核所釋放的能量．2．平均結(jié)合能(1)定義：平均每個(gè)核子的結(jié)合能．(2)意義：平均結(jié)合能越大，原子核越難分離成單個(gè)核子．3．質(zhì)量虧損(1)質(zhì)量虧損：任何一個(gè)原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和，這一差值稱為質(zhì)量虧損．(2)能量計(jì)算：質(zhì)量虧損說明核子組成原子核放出能量，其大小為ΔE＝Δmc2.eq\o([再判斷])1．原子核的核子數(shù)越多，平均結(jié)合能越大．(×)2．質(zhì)量虧損是因?yàn)檫@部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量．(×)3．結(jié)合能越大，核子結(jié)合得越牢固，原子越穩(wěn)定．(×)eq\o([后思考])有人認(rèn)為質(zhì)量虧損就是核子的個(gè)數(shù)變少了，這種認(rèn)識對不對？【提示】不對．在核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒即核子的個(gè)數(shù)不變，只是核子組成原子核時(shí)，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(gè)數(shù)并沒有變化．eq\o([核心點(diǎn)擊])1．對平均結(jié)合能的理解(1)平均結(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．(2)核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，平均結(jié)合能都比較小，中等質(zhì)量的核平均結(jié)合能最大、最穩(wěn)定．(3)當(dāng)平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成平均結(jié)合能較大的原子核時(shí)，就要釋放核能．2．質(zhì)量虧損、質(zhì)能方程及核能的計(jì)算(1)質(zhì)量虧損：①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)中才能明顯地表現(xiàn)出來．②Δm是核反應(yīng)前與核反應(yīng)后的質(zhì)量之差．(2)質(zhì)能方程E＝mc2愛因斯坦指出，物體的能量(E)和質(zhì)量(m)之間存在著密切的關(guān)系，即E＝mc2，式中c為真空中的光速．愛因斯坦質(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，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ΔE＝Δmc2從愛因斯坦質(zhì)能方程同樣可以得出，物體的能量變化ΔE與物體的質(zhì)量變化Δm的關(guān)系：ΔE＝Δmc2.3．下列關(guān)于平均結(jié)合能的說法正確的是()A．核子數(shù)越多，平均結(jié)合能越大B．核子數(shù)越多，平均結(jié)合能越小C．結(jié)合能越大，平均結(jié)合能越大D．平均結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定【解析】中等質(zhì)量核的平均結(jié)合能比輕核和重核的平均結(jié)合能都大，故A、B、C均不正確．平均結(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，故D正確．【答案】D4．(多選)關(guān)于愛因斯坦質(zhì)能方程，下列說法正確的是()A．E＝mc2中的E是物體以光速c運(yùn)動的動能B．E＝mc2是物體各種形式能的總和C．由ΔE＝Δmc2知，在核反應(yīng)中虧損的質(zhì)量Δm轉(zhuǎn)化成能量ΔE放出D．由ΔE＝Δmc2知，在核反應(yīng)中虧損的靜質(zhì)量轉(zhuǎn)化為動質(zhì)量被放出的能量帶走【解析】愛因斯坦的質(zhì)能方程E＝mc2表明，物體的質(zhì)量與其他各種形式的能量之間的關(guān)系，故A錯(cuò)誤，B正確．ΔE＝Δmc2表明，在核反應(yīng)中虧損的質(zhì)量Δm將產(chǎn)生ΔE＝Δmc2的能量，只是以另一種形態(tài)的質(zhì)量(動質(zhì)量)釋放出來，與這部分質(zhì)量Δm相對應(yīng)的能量為Δmc2，而絕不是質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量了，故C錯(cuò)誤，D正確．【答案】BD5．三個(gè)α粒子結(jié)合成一個(gè)碳eq\o\al(12,6)C，已知碳原子的質(zhì)量為0u，氦原子的質(zhì)量為6u．(1u＝×10－27kg)【導(dǎo)學(xué)號：64772051】(1)寫出核反應(yīng)的方程；(2)這個(gè)核反應(yīng)放出的能量是多少焦？(3)這個(gè)能量合多少M(fèi)eV?【解析】(1)3eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋ΔE(2)Δm＝3×6u－0u＝8uΔm＝8××10－27kg＝8×10－29kgΔE＝Δmc2≈×10－12J.(3)ΔE＝eq\f×10－12,×10－19)eV≈×106eV＝MeV.【答案】(1)3eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋ΔE(2)×10－12J(3)MeV核能的兩種單位換算技巧(1)若以kg為質(zhì)量虧損Δm的單位，則計(jì)算時(shí)應(yīng)用公式ΔE＝Δmc2.(2)若以原子單位“u”為質(zhì)量虧損單位，則ΔE＝Δm×MeV.(3)兩種方法計(jì)算的核能的單位分別為“J”和“MeV”，1MeV＝1×106××10－19J＝×10－13J.學(xué)業(yè)分層測評(十一)(建議用時(shí)：45分鐘)[學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)]1．關(guān)于核力的下列說法正確的是()【導(dǎo)學(xué)號：64772106】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D．核力與電荷有關(guān)【解析】核力是短程力，故C對；核力與萬有引力、電磁力不同，故A、B不對；核力與電荷無關(guān)，故D錯(cuò)．【答案】C2．(多選)下列說法中正確的是()A．質(zhì)子與中子的質(zhì)量不等，但質(zhì)量數(shù)相等B．兩個(gè)質(zhì)子之間，不管距離如何，核力總是大于庫侖力C．同一種元素的原子核有相同的質(zhì)子數(shù)，但中子數(shù)可以不同D．除萬有引力外，兩個(gè)中子之間不存在其他相互作用力【解析】質(zhì)子和中子的質(zhì)量不相等，但差別不大，質(zhì)量數(shù)相等，故A對．核子之間的核力隨距離變化而變化，并不總大于庫侖力，故B錯(cuò)．同位素之間質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同，質(zhì)量數(shù)也不同，故C對．核子之間除萬有引力外，還可能存在核力、庫侖力，但質(zhì)子與中子之間、中子與中子之間沒有庫侖力，D錯(cuò)誤．【答案】AC3．(多選)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核時(shí)，產(chǎn)生γ光子，由此可見()A．氘核的質(zhì)量等于質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和B．氘核的質(zhì)量小于質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和C．核子結(jié)合成原子核時(shí)會釋放核能D．原子核分解成核子時(shí)會釋放核能【解析】由于結(jié)合時(shí)產(chǎn)生γ光子，即產(chǎn)生能量，故反應(yīng)中有質(zhì)量虧損，但反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒，B正確，A錯(cuò)誤．質(zhì)子和中子統(tǒng)稱核子，該反應(yīng)為核子結(jié)合成原子核的反應(yīng)，故C對，D錯(cuò)．【答案】BC4．(多選)關(guān)于原子核的結(jié)合能與平均結(jié)合能，下列說法中正確的是()【導(dǎo)學(xué)號：64772052】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(shí)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(shí)平均每個(gè)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)合能比中等質(zhì)量核的平均結(jié)合能大【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)自由核子結(jié)合成原子核時(shí)，核力將做功，釋放能量．對某種原子核，平均每個(gè)核子的結(jié)合能稱為平均結(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．綜上所述，正確選項(xiàng)為A、B、C.【答案】ABC5．(多選)對公式ΔE＝Δmc2的正確理解是()A．如果物體的能量減少了ΔE，它的質(zhì)量也一定相應(yīng)減少ΔmB．如果物體的質(zhì)量增加了Δm，它的能量也一定相應(yīng)增加Δmc2C．Δm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(shí)，若放出的能量是ΔE，則這些核子的質(zhì)量和與組成原子核的質(zhì)量之差就是Δm【解析】一定質(zhì)量對應(yīng)于一定的能量，物體的能量減少了ΔE，它的質(zhì)量也一定相應(yīng)減少Δm，即發(fā)生質(zhì)量虧損，如果物體的質(zhì)量增加了Δm，它的能量一定相應(yīng)增加Δmc2，所以選項(xiàng)A、B、D正確；某原子核在衰變時(shí)，一定發(fā)生質(zhì)量虧損，所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤．【答案】ABD6．某核反應(yīng)方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋X.已知eq\o\al(2,1)H的質(zhì)量為6u，eq\o\al(3,1)H的質(zhì)量為0u，eq\o\al(4,2)He的質(zhì)量為6u，X的質(zhì)量為7u，則X是________，該反應(yīng)________(填“釋放”或“吸收”)能量．【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eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)X，則X為中子，在該反應(yīng)發(fā)生前反應(yīng)物的總質(zhì)量m1＝6u＋0u＝6u，反應(yīng)后產(chǎn)物總質(zhì)量m2＝6u＋7u＝3u，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．【答案】中子釋放7．原子質(zhì)量單位為u,1u相當(dāng)于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(shí)釋放出的能量是____________．【解析】m1、m2、M的單位是kg，Δm＝m1＋m2－M其單位也為kg，由ΔE＝Δmc2可得核反應(yīng)過程釋放的能量ΔE＝(m1＋m2－M)c2.【答案】(m1＋m2－M)c28．如下一系列核反應(yīng)是在恒星內(nèi)部發(fā)出的，p＋eq\o\al(12,6)C→eq\o\al(13,7)Neq\o\al(13,7)N→eq\o\al(13,6)C＋e＋＋νp＋eq\o\al(13,6)C→eq\o\al(14,7)Np＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(15,8)Oeq\o\al(15,8)O→eq\o\al(15,7)N＋e＋＋νp＋eq\o\al(15,7)N→eq\o\al(12,6)C＋α.其中p為質(zhì)子，α為α粒子，e＋為正電子，ν為一種中微子．已知質(zhì)子的質(zhì)量為mp＝648×10－27kg，α粒子的質(zhì)量為mα＝929×10－27kg，正電子的質(zhì)量為meq\o\al(＋,e)＝×10－31kg，中微子的質(zhì)量可忽略不計(jì)，真空中的光速c＝×108m/s.試計(jì)算該系列核反應(yīng)完成后釋放的能量．【解析】將題中的幾個(gè)核反應(yīng)方程左右分別相加，消去兩邊相同的項(xiàng)，上述系列反應(yīng)等效為：4p→α＋2e＋＋2ν，質(zhì)量虧損Δm＝4mp－(mα＋2meq\o\al(＋,e))＝4×648×10－27kg－929×10－27kg－2××10－31kg＝841×10－27kg，釋放的能量ΔE＝Δmc2＝841×10－27××108)2J≈×10－12J.【答案】×10－12J[能力提升]9．(多選)如圖4-1-1是原子核的核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)Z的關(guān)系圖象．下列說法中正確的是()【導(dǎo)學(xué)號：64772107】圖4-1-1A．若D、E能結(jié)合成F，結(jié)合過程一定釋放能量B．若D、E能結(jié)合成F，結(jié)合過程一定吸收能量C．若A能分裂成B、C，分裂過程一定釋放能量D．若A能分裂成B、C，分裂過程一定吸收能量【解析】由圖可知Fe原子核的核子的平均質(zhì)量最小，則原子序數(shù)較小的核D、E結(jié)合成原子序數(shù)較大的核F時(shí)，因F核子的平均質(zhì)量小于D、E核子的平均質(zhì)量，故出現(xiàn)質(zhì)量虧損，由質(zhì)能方程知，該過程一定放出核能，所以選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；因?yàn)镃、B核子的平均質(zhì)量小于A核子的平均質(zhì)量，故A分裂成B、C過程一定要釋放能量，所以選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．【答案】AC10．一個(gè)氘核(eq\o\al(2,1)H)和一個(gè)氚核(eq\o\al(3,1)H)結(jié)合成一個(gè)氦核并放出一個(gè)中子時(shí)，質(zhì)量虧損為Δm，已知阿伏伽德羅常數(shù)為NA，真空中的光速為c，若1mol氘和1mol氚完全發(fā)生上述核反應(yīng)，則在核反應(yīng)中釋放的能量為________．【解析】根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，一個(gè)氘核(eq\o\al(2,1)H)和一個(gè)氚核(eq\o\al(3,1)H)結(jié)合成一個(gè)氦核并放出一個(gè)中子時(shí)釋放的能量為Δmc2,1mol氘和1mol氚完全發(fā)生上述核反應(yīng)，釋放的能量應(yīng)為Δmc2的NA倍，即為NAΔmc2.【答案】NAΔ