講學(xué)案：5.3核力與結(jié)合能

學(xué)而優(yōu)教有方解析版第五章原子核第3節(jié)核力與結(jié)合能【核心素養(yǎng)目標(biāo)】物理觀念知道核力的概念、特點(diǎn)和四種基本相互作用.科學(xué)思維了解結(jié)合能和比結(jié)合能的概念.科學(xué)探究認(rèn)識原子核的結(jié)合能及質(zhì)量虧損，并能應(yīng)用質(zhì)能方程進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過核力與結(jié)合能知識應(yīng)用的實(shí)例，感受物理中科學(xué)技術(shù)與社會的緊密聯(lián)系，體會科學(xué)知識的應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和科學(xué)意識。知識點(diǎn)一核力與四種基本相互作用【知識梳理】1．核力：原子核中的核子之間存在一種很強(qiáng)的相互作用，即存在一種核力，它使得核子緊密地結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的原子核．這種作用稱為強(qiáng)相互作用．2．強(qiáng)相互作用的特點(diǎn)(1)強(qiáng)相互作用是短程力，作用范圍只有約10－15m.(2)距離增大時(shí)，強(qiáng)相互作用急劇減小．超過10－15m，強(qiáng)相互作用不存在．3．弱相互作用(1)弱相互作用是引起原子核β衰變的原因，即引起中子—質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因．(2)弱相互作用是短程力，其力程只有10－18m.4．四種基本相互作用【重難詮釋】1．核力(1)核力是四種相互作用中的強(qiáng)相互作用(強(qiáng)力)的一種表現(xiàn)．(2)核力是短程力，約在10－15m數(shù)量級時(shí)起作用，距離大于0.8×10－15m時(shí)為引力，距離小于0.8×10－15m時(shí)為斥力，距離超過1.5×10－15m時(shí)核力幾乎消失．2．四種基本相互作用的作用尺度(1)在原子核內(nèi)，強(qiáng)相互作用將核子束縛在一起．(2)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(jié)合成分子，使分子結(jié)合成液體和固體．(3)萬有引力主要作用于宏觀和宇宙尺度上，是萬有引力使行星繞著恒星運(yùn)行，并且聯(lián)系著星系團(tuán)．【典例精析】例1．關(guān)于核力，下列說法正確的是()A．核力的作用范圍只有約10－15mB．核力本質(zhì)上屬于電磁相互作用C．中子和中子之間不會有核力作用D．核力減小是發(fā)生β衰變的原因【答案】A【解析】核力是短程力，作用范圍在原子核內(nèi)部，作用范圍只有約10－15m，選項(xiàng)A正確；核力屬于強(qiáng)相互作用，不屬于電磁相互作用，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；核力存在于核子之間，質(zhì)子與質(zhì)子，質(zhì)子與中子，中子與中子之間均存在核力，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；弱相互作用才是引起β衰變的原因，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．知識點(diǎn)二結(jié)合能和比結(jié)合能【知識梳理】1．結(jié)合能原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能．2．比結(jié)合能原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，叫作比結(jié)合能，也叫作平均結(jié)合能．比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定．中等大小的核的比結(jié)合能最大，最穩(wěn)定．【重難詮釋】結(jié)合能把原子核分成核子時(shí)吸收的能量或核子結(jié)合成原子核時(shí)放出的能量比結(jié)合能等于原子核的結(jié)合能與原子核中核子數(shù)的比值，它反映了原子核的穩(wěn)定程度比結(jié)合能曲線不同原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化圖線如圖所示從圖中可看出，中等大小的核的比結(jié)合能最大，輕核和重核的比結(jié)合能都比中等大小的核的比結(jié)合能要小【典例精析】例2．原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化的圖像如圖，下列說法正確的是()A．質(zhì)量數(shù)越大的原子核，核子結(jié)合得越牢固B.eq\o\ar(2,1)H核比eq\o\ar(4,2)He核穩(wěn)定C.eq\o\ar(89,36)Kr核的結(jié)合能大于eq\o\ar(235,92)U核的結(jié)合能D．兩個(gè)eq\o\ar(2,1)H核結(jié)合成eq\o\ar(4,2)He核時(shí)釋放能量【答案】D【解析】中等質(zhì)量數(shù)的原子核比結(jié)合能較大，核子結(jié)合得牢固，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；eq\o\ar(4,2)He核的比結(jié)合能比eq\o\ar(2,1)H核大，則eq\o\ar(4,2)He核更穩(wěn)定，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；eq\o\ar(89,36)Kr核的比結(jié)合能大于eq\o\ar(235,92)U核的比結(jié)合能，但是eq\o\ar(89,36)Kr核的結(jié)合能小于eq\o\ar(235,92)U核的結(jié)合能，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；兩個(gè)eq\o\ar(2,1)H核結(jié)合成eq\o\ar(4,2)He核時(shí)釋放能量，選項(xiàng)D正確．知識點(diǎn)三質(zhì)量虧損核能的計(jì)算【知識梳理】1．質(zhì)能方程物體的能量與它的質(zhì)量的關(guān)系是：E＝mc2.2．質(zhì)量虧損原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和的現(xiàn)象．【重難詮釋】1．質(zhì)量虧損Δm的理解所謂質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消失，而是減少的質(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．反過來，把原子核分裂成核子，總質(zhì)量要增加，總能量也要增加，增加的能量要由外部供給．2．質(zhì)能方程E＝mc2的理解(1)根據(jù)質(zhì)能方程，物體的總能量與其質(zhì)量成正比．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(shí)質(zhì)能方程也寫作ΔE＝Δmc2.(2)運(yùn)用質(zhì)能方程時(shí)應(yīng)注意單位．一般情況下，公式中各量都應(yīng)取國際單位制單位．但在微觀領(lǐng)域，用國際單位制單位往往比較麻煩，習(xí)慣上常用“原子質(zhì)量單位”和“電子伏特”作為質(zhì)量和能量的單位，1u對應(yīng)931.5MeV能量．【典例精析】例3．下列有關(guān)質(zhì)能方程的說法中，正確的是()A．愛因斯坦質(zhì)能方程反映了物體的質(zhì)量就是能量，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化B．由E＝mc2可知，能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系，可以用物體的質(zhì)量作為它所蘊(yùn)藏的能量的量度C．核反應(yīng)中發(fā)生的“質(zhì)量虧損”是消失的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰緿．因?yàn)樵诤朔磻?yīng)中產(chǎn)生能量，有質(zhì)量的轉(zhuǎn)化，所以系統(tǒng)只有質(zhì)量數(shù)守恒、系統(tǒng)的總能量和總質(zhì)量并不守恒【答案】B【解析】E＝mc2說明能量和質(zhì)量之間存在著聯(lián)系，即能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系，但并不說明能量和質(zhì)量之間存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，故A項(xiàng)錯(cuò)誤，B項(xiàng)正確；核反應(yīng)中發(fā)生的“質(zhì)量虧損”并不是質(zhì)量消失，實(shí)際上是由靜止的質(zhì)量突變成運(yùn)動的質(zhì)量，并不是質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；在核反應(yīng)中，質(zhì)量守恒，能量也守恒，在核反應(yīng)前后只是能量的存在方式不同，總能量不變，只是物質(zhì)由靜質(zhì)量變成動質(zhì)量，故D項(xiàng)錯(cuò)誤．針對訓(xùn)練一、單選題1．關(guān)于自然界中最基本的四種相互作用，下列說法正確的是（）A．重力、彈力、摩擦力、電磁力就是自然界中最基本的四種相互作用B．萬有引力、彈力、摩擦力、電磁力就是自然界中最基本的四種相互作用C．彈力、摩擦力是由電磁力引起的D．兩個(gè)異名磁極之間相互吸引，這種力屬于四種相互作用中的引力相互作用【答案】C【解析】AB．自然界中最基本的四種作用是引力相互作用、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用和弱相互作用，AB錯(cuò)誤；C．彈力、摩擦力是由電磁力引起的，C正確；D．兩個(gè)異名磁極之間相互吸引，這種力屬于四種相互作用中的電磁相互作用，D錯(cuò)誤。故選C。2．關(guān)于原子核中質(zhì)子和中子的說法正確的是（）A．原子核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)一定相等B．穩(wěn)定的重原子核里，質(zhì)子數(shù)比中子數(shù)多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【答案】D【解析】AB．原子核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)不一定相等，質(zhì)量數(shù)越大的原子核內(nèi)中子數(shù)比質(zhì)子數(shù)多得越多，故AB錯(cuò)誤；C．有些原子核可以發(fā)生衰變，故C錯(cuò)誤；D．由核力作用特點(diǎn)可知，核子數(shù)越多的原子核越不穩(wěn)定，故D正確。故選D。3．大科學(xué)工程“人造太陽”主要是將氘核核聚變反應(yīng)釋放的能量用來發(fā)電，氘核聚變反應(yīng)方程是，已知的質(zhì)量為，的質(zhì)量為，的質(zhì)量為，。氘核聚變反應(yīng)中釋放的核能約為（）A． B． C． D．【答案】B【解析】氘核聚變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為釋放的核能為故選B。4．如圖所示，圖甲為原子核的比結(jié)合能與質(zhì)量數(shù)關(guān)系曲線，圖乙為原子核的平均核子質(zhì)量與原子序數(shù)的關(guān)系曲線，根據(jù)兩曲線，下列說法正確的是（）A．根據(jù)圖甲可知，核的結(jié)合能約為7MeVB．根據(jù)圖甲可知，核的結(jié)合能比核的結(jié)合能更大C．根據(jù)圖乙可知，核D裂變成核E和F的過程中，比結(jié)合能減小D．根據(jù)圖乙可知，若A、B能結(jié)合成C，結(jié)合過程一定要吸收能量【答案】B【解析】A．圖甲中核的比結(jié)合能約為7MeV，但圖中不能看出核的比結(jié)合能，因此不能計(jì)算核的結(jié)合能，A錯(cuò)誤；B．根據(jù)圖甲可知，核比核的比結(jié)合能略小，但核子數(shù)越多，結(jié)合能越大遠(yuǎn)大于，因此核的結(jié)合能比核的結(jié)合能大，B正確；C．將D分裂成E、F，由圖乙可知是平均核子質(zhì)量較大的原子核分裂成平均核子質(zhì)量較小的原子核，分裂過程存在質(zhì)量虧損，釋放能量，因此生成核的比結(jié)合能將增大，C錯(cuò)誤；D．若A、B能結(jié)合成C，由圖乙可知是平均核子質(zhì)量較大的原子核結(jié)合成平均核子質(zhì)量較小的原子核，結(jié)合過程存在質(zhì)量虧損，釋放能量，D錯(cuò)誤。故選B。5．自然界存在著四種基本相互作用，萬有引力、電磁力、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。它們是不需要物體相互接觸就能起作用的。下列選項(xiàng)正確的是（）A．彈力和摩擦力是接觸力，因此不屬于四種基本相互作用B．彈力和摩擦力雖然是接觸力，但它們在本質(zhì)上都是由電磁力引起的C．強(qiáng)相互作用的作用范圍很小，因此彈力等接觸力屬于強(qiáng)相互作用D．弱相互作用就是作用力很小的力【答案】B【解析】AB．彈力和摩擦力雖然是接觸力，但它們在本質(zhì)上都是由電磁力引起的，故A錯(cuò)誤，B正確；CD．強(qiáng)相互作用指的是原子核內(nèi)部核子之間距離比較小時(shí)所產(chǎn)生的強(qiáng)大作用力，弱作用力指的是發(fā)生β衰變過程起作用的作用力，故CD錯(cuò)誤。故選B。6．如圖為原子核的比結(jié)合能曲線。根據(jù)該曲線，下列說法正確的是（）A．核比核更穩(wěn)定B．核的結(jié)合能約為7MeVC．兩個(gè)核結(jié)合成核時(shí)釋放能量D．質(zhì)量數(shù)越大的原子核越穩(wěn)定【答案】C【解析】A．核的比結(jié)合能大于核的比結(jié)合能，因此核更穩(wěn)定，故A錯(cuò)誤；BC．核的比結(jié)合能約為7MeV，核的比結(jié)合能約為1MeV，則兩個(gè)核結(jié)合成核時(shí)釋放能量，故B錯(cuò)誤，C正確；D．中等質(zhì)量數(shù)的原子核比較穩(wěn)定，故D錯(cuò)誤。故選C。7．2021年4月13日日本政府不計(jì)后果決定將福島核廢水排放入海，引起國際社會的共同譴責(zé)，核廢水即使經(jīng)處理，但還是含有氚、鍶-90、銫-137、碘-129等放射性元素，核廢水一旦排海將在57天內(nèi)擴(kuò)散至太平洋大半個(gè)區(qū)域，10年后蔓延至全球海域。其中Cs-137是最具危害的放射性元素，其衰變方程為，Cs的半衰期約為30年，下列說法正確的是（）A．衰變方程中的電子是來自銫的核外電子B．經(jīng)過60年后，廢水中的銫會衰變完C．排放到海水中，可以改變銫的衰變快慢D．Ba的比結(jié)合能比Cs大【答案】D【解析】A．衰變方程中的電子來自于銫原子核的一個(gè)中子轉(zhuǎn)化為一個(gè)質(zhì)子同時(shí)生成一個(gè)電子，故A錯(cuò)誤；B．半衰期是原子核發(fā)生半數(shù)衰變所需的時(shí)間，經(jīng)過60年，即兩個(gè)半衰期，剩余銫為原來的四分之一，并沒有衰變完，故B錯(cuò)誤；C．半衰期與外界因素?zé)o關(guān)，只與原子核本身有關(guān)，故C錯(cuò)誤；D．β衰變的過程中釋放能量，所以Ba的比結(jié)合能比Cs大，故D正確。故選D。二、多選題8．某種原子序數(shù)大于90的原子核不穩(wěn)定，分裂成三個(gè)質(zhì)量較小的新核和某種射線，關(guān)于該分裂過程，下列說法正確的是（）A．一定放出能量B．新核的比結(jié)合能更小C．放出的射線可能為X射線D．若放出的射線為β射線，則分解過程中存在弱相互作用【答案】AD【解析】AB．分裂后的原子核的質(zhì)量數(shù)比分裂前小，所以比結(jié)合能增大，一定放出能量，故A正確，B錯(cuò)誤；C．放出的射線只可能是α、β、γ中的某一種，不可能是X射線，故C錯(cuò)誤；D．β射線是中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時(shí)產(chǎn)生的，而弱相互作用就是在中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時(shí)起作用，故D正確。故選AD。9．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α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．比結(jié)合能越大，原子核越不穩(wěn)定D．自由核子組成原子核時(shí)，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】A．原子核的結(jié)合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量，A正確；B．一重原子核衰變成α粒子和另一原子核，要釋放能量，故衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié)合能，B正確；C．比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定，C錯(cuò)誤；D．自由核子組成原子核時(shí)，其質(zhì)量虧損所對應(yīng)的能量等于該原子核的結(jié)合能，D錯(cuò)誤。故選AB。10．現(xiàn)有兩動能均為E0=0.35MeV的在一條直線上相向運(yùn)動，兩個(gè)發(fā)生對撞后能發(fā)生核反應(yīng)，得到和新粒子，且在核反應(yīng)過程中釋放的能量完全轉(zhuǎn)化為He和新粒子的動能。已知的質(zhì)量為2.0141u，的質(zhì)量為3.0160u，新粒子的質(zhì)量為1.0087u，核反應(yīng)時(shí)質(zhì)量虧損1u釋放的核能約為931MeV。下列說法正確的是（如果涉及計(jì)算，結(jié)果保留整數(shù)）（）A．核反應(yīng)方程為HHHeHB．核反應(yīng)前后不滿足能量守恒定律C．新粒子的動能約為3MeVD．的動能約為1MeV【答案】CD【解析】A．由核反應(yīng)過程中的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知核反應(yīng)方程為，則新粒子為中子，故A錯(cuò)誤；B．核反應(yīng)過程中有質(zhì)量虧損，釋放能量，仍然滿足能量守恒定律，故B錯(cuò)誤；CD．由題意可知ΔE=（2.0141u×2-3.0160u-1.0087u）×931MeV/u≈3.3MeV根據(jù)核反應(yīng)中系統(tǒng)的能量守恒有EkHe+Ekn=2E0+ΔE根據(jù)核反應(yīng)中系統(tǒng)的動量守恒有pHe-pn=0由，可知聯(lián)立解得故CD正確。故選CD。三、解答題11．用粒子加速器加速后的質(zhì)子轟擊靜止的鋰原子核，生成兩個(gè)動能均為8.919MeV的α粒子（），其核反應(yīng)方程式為。已知質(zhì)子質(zhì)量為1.007825u，鋰原子核的質(zhì)量為7.016004u，α粒子的質(zhì)量為4.00260u，1u相當(dāng)于931MeV。若核反應(yīng)釋放的能量全部轉(zhuǎn)化為α粒子的動能，則入射質(zhì)子的動能約為多少？【答案】0.5MeV【解析】該反應(yīng)放出能量入射質(zhì)子的動能12．原來靜止的氡核（）發(fā)生一次α衰變生成新核釙（），并放出一個(gè)能量為的光子。已知放出的α粒子動能為。忽略放出光子的動量，但考慮其能量。相當(dāng)于931.5MeV。（1）寫出衰變的核反應(yīng)方程；（2）衰變過程中總的質(zhì)量虧損為多少u？（結(jié)果保留3位有效數(shù)字）?！敬鸢浮浚?）；（2）【解析】（1）根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得衰變方程為（2）忽略放出光子的動量，根據(jù)動量守恒定律即新核釙（Po）的動量與α粒子的動量大小相等，又可求出新核釙（Po）的動能為由題意知，質(zhì)量虧損對應(yīng)的能量以光子的能量和新核、α粒子動能形式出現(xiàn)，衰變時(shí)釋放出的總能量為故衰變過程中總的質(zhì)量虧損13．钚的放射性同位素靜止時(shí)衰變?yōu)殁櫤思ぐl(fā)態(tài)*和α粒子，而鈾核激發(fā)態(tài)*立即衰變?yōu)殁櫤?，并放出能量?.097MeV的γ光子。已知、和α粒子的質(zhì)量分別為mPu＝239.0521u、mU＝235.0439u和mα＝4.0026u，且1u＝931.5MeV/c2。（1）寫出衰變方程。（2）求衰變過程放出的核能。（3）已知衰變放出的光子的動量可忽略