高中物理 第十九章 原子核 5 核力与结合能学案 新人教版选修35最新整理.docx

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高中物理第十九章原子核5核力与结合能学案新人教版选修35最新整理

高中物理第十九章原子核5核力与结合能学案新人教版选修3-5

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5　核力与结合能

学习目标

知识脉络

1.了解四种基本相互作用，知道核力的特点．

2．认识原子核的结合能及质量亏损，并能应用质能方程进行计算．

3．能简单解释轻核和重核内中子数、质子数具有不同比例的原因。

核力与四种基本相互作用

1．核力

原子核内核子之间的相互作用力．

2．核力的特点

（1）核力是强相互作用的一种表现,在原子核内，核力比库仑力大得多．

（2）核力是短程力,作用范围在1.5×10－15_m之内．

（3）核力的饱和性：

每个核子只跟相邻的核子发生核力作用．

3．四种基本相互作用

4．原子核中质子与中子的比例

（1）较轻原子核:

质子数和中子数大致相等．

（2）较重原子核：

中子数大于质子数，越重的元素两者相差越多．

1．原子核中粒子所受的万有引力和电磁力可以达到平衡．（×）

2．核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大．（×）

3．弱相互作用是引起原子核β衰变的原因．（√）

四种基本相互作用分别在不同尺度上发挥作用,将他们按照作用距离由小到大排列,应怎样排列？

【提示】　弱相互作用的作用距离为10－18m，强相互作用的作用距离为

10－15m，电磁力主要体现在原子、分子层面，万有引力主要在宏观和宏观尺度上发挥作用．所以顺序为：

弱相互作用、强相互作用、电磁相互作用、万有引力．

探讨1：

原子核中的质子数与中子数有怎样的数量关系?

【提示】　较轻的原子核（原子序数小于20）质子数与中子数大致相等,但随着原子序数的增加（原子序数大于20），稳定原子核中的中子数大于质子数，且原子序数越大，两者相差越大．

探讨2：

原子核中任意两个核子之间都存在核力吗？

【提示】　不是．核力是短程力，只有相邻的两个核子之间才存在核力．

1．四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用

（1）引力相互作用，引力主要在宏观和宏观尺度上“独领风骚”．是引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状．万有引力是长程力．

（2）电磁相互作用:

电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原子结合成分子，使分子结合成液体和固体．

（3）强力:

即强相互作用,在原子核内，强力将核子束缚在一起，强力是短程力．

（4）弱相互作用:

弱相互作用是引起原子核β衰变的原因,即引起中子—质子转变的原因．弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短,为10－18m,作用强度则比电磁力小．

2．核力的性质

（1）核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现．

（2）核力是短程力．约在10－15m数量级时起作用，距离大于0.8×10－15m时为引力，距离小于0.8×10－15m时为斥力,距离为10×10－15m时核力几乎消失．

（3）核力具有饱和性。

核子只对相邻的少数核子产生较强的引力,而不是与核内所有核子发生作用．

（4）核力具有电荷无关性.核力与核子电荷无关．

3．原子核中质子与中子的比例关系

（1）较轻的原子核质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核中子数大于质子数，越重的原子核,两者相差越多．

（2）形成原因：

①若质子与中子成对地人工构建原子核，随原子核的增大,核子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快．所以当原子核增大到一定程度时,相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了．

②若只增加中子，因为中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定,所以稳定的重原子核中子数要比质子数多．

③由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用,这时候再增加中子,形成的核也一定是不稳定的．

1．对核力的认识，下列说法正确的是（　　）

A．任何物体之间均存在核力

B．每个核子只跟邻近的核子发生核力作用

C．核力只存在于质子之间

D．核力只发生在相距1。

5×10－15m的核子之间,大于0。

8×10－15m为吸引力，而小于0.8×10－15m为斥力

E．核力是强相互作用的一种表现

【解析】　由核力的特点知道,只有相距1.5×10－15m的核子之间存在核力，核力发生在核子之间．

【答案】　BDE

2．对原子核的组成，下列说法正确的是（　　）

A．核力可使一些中子组成原子核

B．核力可使非常多的质子组成原子核

C．自然界中存在只有质子的原子核

D．质量较大的原子核内一定有中子

E．越重的元素,核子中子数与质子数相差越多

【解析】　由于原子核带正电，不存在只有中子的原子

核，但核力也不能把非常多的质子聚集在一起组成原子核，原因是核力是短程力，质子之间还存在“长程力”——库仑力，A、B错误；自然界中存在只有一个质子的原子核，如

H，C正确；较大质量的原子核内只有存在一些中子，才能削弱库仑力，维系原子核的稳定,故D、E正确.

【答案】　CDE

3．关于原子核中质子和中子的说法，正确的是（　　）

A．原子核中质子数和中子数一定相等

B．稳定的重原子核里,质子数比中子数少

C．原子核都是非常稳定的

D．由于核力的作用范围是有限的，核力具有饱和性，不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在

E．原子序数大于或等于83的元素都是不稳定的

【解析】　由稳定核的质子数与中子数的关系图像可知,质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多，故A错误B正确；原子核可以发生衰变，且原子序数大于或等于83的元素都有放射性，故C错误E正确；由核力作用特点可知,核子数越多的原子核越不稳定，故D正确．

【答案】　BDE

1核力是强相互作用力,只存在于相邻核子之间.

2核力的存在与核子是否带电及电性无关.

3原子核的稳定性与核力和库仑力的大小关系有关。

结合能和质量亏损

1．结合能

原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能．

2．比结合能

原子核的结合能与核子数之比，称作比结合能，也叫平均结合能．比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定．中等大小的核的比结合能最大,最稳定．

3．质能方程

物体的能量与它们质量的关系是:

E＝mc2。

4．质量亏损

原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象．

1．原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量．（×）

2．比结合能越大,原子核越稳定．（√）

3．质能方程E＝mc2表明了质量与能量间的一种对应关系．（√）

有人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认识对不对？

【提示】　不对．在核反应中质量数守恒即核子的个数不变，只是核子组成原子核时,仿佛变“轻”了一些，原子核的质量总是小于其全部核子质量之和,即发生了质量亏损,核子的个数并没有变化．

一个静止的铀核

U（原子质量为232。

0372u）放出一个α粒子（原子质量为4.0026u）后衰变成钍核

Th（原子质量为228。

0287u），同时释放出一定量的核能．

探讨1：

铀核

U衰变过程中的质量亏损是多少?

【提示】　Δm＝232.0372u－4.0026u－228.0287u＝0.0059u。

探讨2：

核反应过程发生了质量亏损，同时释放出核能，能说这部分质量转变为能量了吗？

【提示】　不能．物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损指的是静止质量的减少，并不是这部分质量消失了或转变为能量．

1．比结合能与原子核稳定的关系

（1）比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大,原子核就越难拆开,表示该原子核就越稳定．

（2）核子数较小的轻核与核子数较大的重核,比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定。

（3）当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可能释放核能.例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核,或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能．

2．对质能方程和质量亏损的理解

（1）质能方程

质能方程：

爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是E＝mc2.

（2）质量亏损

质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了．物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少,总能量也随之减少，这时质能方程也写为ΔE＝Δmc2.

3．核能的计算方法

（1）根据质量亏损计算

①根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损Δm.

②根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能．

其中Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳．

（2）利用原子质量单位u和电子伏特计算

根据1原子质量单位（u）相当于931。

5MeV的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5MeV.其中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV.

4．下列关于结合能和比结合能的说法中，正确的有（　　）

A．核子结合成原子核时放出能量

B．原子核拆解成核子时要吸收能量

C．比结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大

D．重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和比结合能都大

E．中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大

【解析】　核子结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正确；比结合能越大的原子核越稳定，但比结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的比结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核反而小，C、D选项错误；中等质量原子核的比结合能比轻核的大，它的原子核内核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大,E选项正确．

【答案】　ABE

5．关于质能方程，下列哪些说法是正确的（　　）

A．质量减少，能量就会增加,在一定条件下质量转化为能量

B．物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加一定值

C．物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系

D．一定量的质量总是与一定量的能量相联系的

E．物体的质量减少，总能量也随之减少

【解析】　质能方程E＝mc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的，当物体获得一定的能量，即能量增加某一定值时,它的质量也相应增加一定值，并可根据ΔE＝Δmc2进行计算,故B、D、E对．

【答案】　BDE

6．（2015·江苏高考）取质子的质量mp＝1.6726×10－27kg，中子的质量mn＝1。

6749×10－27kg，α粒子的质量mα＝6。

6467×10－27kg，光速c＝3.0×108m/s.请计算α粒子的结合能．（计算结果保留两位有效数字）

【解析】　组成α粒子的核子与α粒子的质量差

Δm＝（2mp＋2mn）－mα

结合能ΔE＝Δmc2

代入数据得ΔE＝4.3×10－12J.

【答案】　4。

3×10－12J

核能的两种单位

（1）若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2。

（2）若以原子单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×931。

5MeV。

（3）两种方法计算的核能的单位分别为“J"和“MeV”，1MeV＝1×106×1.6×10－19J＝1。

6×10－13J

学业分层测评（十六）

（建议用时：

45分钟）

［学业达标]

1．放射性元素在衰变过程中,有些放出α射线,有些放出β射线,有些在放出α射线或β射线的同时，还以射线的形式释放能量．例如

Th核的衰变过程可表示为

Th→

Pa＋

e＋γ，对于这个衰变下列说法正确的是（　　）

A．是β衰变

B．产生的

Pa核从低能级向高能级跃迁

C．是α衰变

D．产生的

Pa核从高能级向低能级跃迁

E．放出的γ射线是波长很短的光子

【解析】　由核反应方程电荷数守恒和质量数守恒可知生成了

e,并释放出能量,故选项A、D、E正确．

【答案】　ADE

2．一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出γ光子,核反应方程是

H＋

n→

H＋γ，以下说法中正确的是（　　）

A．反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和

B．反应前后的质量数不变，因而质量不变

C．反应前后质量数不变，但会出质量亏损

D．γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度

E．因存在质量亏损Δm，所以“物质不灭”的说法不正确

【解析】　核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和,所以质量不守恒，但质量数不变，且能量守恒，释放的能量会以光子的形式向外释放，故正确答案为A、C、D.

【答案】　ACD

3．如图195.1所示是描述原子核核子的平均质量

与原子序数Z的关系曲线，由图可知下列说法正确的是（　　）

图19。

5.1

A．将原子核A分解为原子核B、C一定放出能量

B．将原子核D、E结合成原子核F可能吸收能量

C．将原子核A分解为原子核B、F一定释放能量

D．将原子核F、C结合成原子核B一定释放能量

E．将原子核F、C结合成原子核B时一定吸收能量

【解析】　因B、C核子平均质量小于A的核子平均质量，故A分解为B、C时,会出现质量亏损，故放出核能,故A正确，同理可得B、D错，C、E正确．

【答案】　ACE

4．在下列判断中，正确的是（　　）

A．组成

U核的核子中只有相邻核子之间才存在不可忽略的核力作用

B．组成

U核的中子中任何两个中子之间都存在不可忽略的核力作用

C．组成

U核的质子中任何两个质子之间都存在不可忽略的库仑斥力作用

D．组成

U核的质子中任何两个质子之间都存在不可忽略的核力作用

E．组成

U核的质子中只有相邻的质子间才存在不可忽略的核力作用

【解析】　核力属于短程力，由于组成

U核的核子较多,两核子之间的距离可能超过核力的作用范围，所以某些核子之间的作用力可能比较小,所以选项A、E正确，B、D错误，但两质子之间都存在库仑斥力的作用,所以选项C正确．

【答案】　ACE

5．中子比质子更容易击中原子核的原因是________．

【解析】　由于中子不带电，与原子核之间不存在库仑斥力，所以，它比其他粒子更易接近原子核并打进内部去．

【答案】　中子不带电

6．科学研究表明，自然界存在四种基本相互作用．我们知道分子之间也存在相互作用的引力和斥力,那么分子力实质上是属于________．

【解析】　分子力作用范围约在10－10m数量级上．强相互作用和弱相互作用都是短程力，作用范围在10－15m和10－18m之内，在分子力作用距离上都不存在．在分子力作用范围内引力相互作用和电磁相互作用都存在,但由于电磁力远大于万有引力，引力相互作用可以忽略不计，因此分子力本质上属于电磁相互作用．

【答案】　电磁相互作用

7．当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时，放出28.30MeV的能量，当三个α粒子结合成一个碳核时，放出7。

26MeV的能量,则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量约为________．

【导学号：

66390052】

【解析】　6个中子和6个质子可结合成3个α粒子，放出能量3×28.30MeV＝84.9MeV，

3个α粒子再结合成一个碳核，放出7.26MeV能量,故6个中子和6个质子结合成一个碳核时,释放能量为

84．9MeV＋7。

26MeV＝92。

16MeV.

【答案】　92.16MeV

8．激光中子是由重原子核吸收光子后发射中子而产生的,光子的极限能量大约是10MeV。

假定中子从原子核上向外移开距离10－13cm所受的力保持不变，则平均核力的数量级是________.【导学号：

66390053】

【解析】　核力是一种很强的力,应存在于相邻的核子之间,作用范围在1。

5×10－15m之内，由题意知：

·d＝W＝E，则

＝

N＝1.6×103N.

【答案】　103N

[能力提升]

9．下列说法中，正确的是（　　）

A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化

B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所蕴藏的能量的量度

C．核反应中发现的“质量亏损”是由静止质量变成运动质量

D．因为在核反应中产生能量，有质量的转化,所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒

E．在核反应中系统的总能量和总质量是守恒的

【解析】　E＝mc2说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，但并不说明能量和质量之间存在相互转化的关系，故A项错误，而B项正确;核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量,并不是质量转变成能量，故C项正确；在核反应中，质量守恒，能量也守恒,在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，在核反应前后只是物质由静质量变成动质量，故D错误E正确．

【答案】　BCE

10．原来静止的原子核

X质量为m1,处在区域足够大的匀强磁场中，经α衰变后变成质量为m2的原子核Y，α粒子的质量为m3，已测得α粒子的速度垂直于磁场B,且动能为E0，假定原子核X衰变时释放的核能全部转化为动能，则下列四个结论中，正确的是（　　）

【导学号：

66390054】

A．核Y与α粒子在磁场中运动的周期之比为

B．核Y与α粒子在磁场中运动的半径之比为

C．此衰变过程中的质量亏损为m1－m2－m3

D．此衰变过程中释放的核能为

E．此衰变过程中释放的核能为

E0

【解析】　原子核发生α衰变时核子质量数减小4而核电荷数减小2.由题意知X核原先静止，则衰变后α粒子和反冲核Y的动量大小相等，由R＝

知RY∶Rα＝qα∶qY＝2∶（Z－2），故B项正确；而周期之比由T＝

知TY∶Tα＝

·

＝

，故A项错误；该过程质量亏损Δm＝m1－（m2＋m3）,故C项正确；由Ek＝

知Y核的动能EkY＝

则释放的核能ΔE＝Ekα＋EkY＝

故D项正确．

【答案】　BCD

11．历史上第一次利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为0。

5MeV的质子

H轰击静止的

X，生成两个动能均为8。

9MeV的

He。

（1MeV＝1。

6×10－13J）

（1）上述核反应方程为________．

（2）质量亏损为________kg.

【导学号：

66390055】

【解析】　

（1）根据电荷数和质量数守恒可写出核反应方程为

H＋

X→

He＋

He或

H＋

Li→

He＋

He。

（2）设反应前质子的动能为Ek0，反应后

He的动能为Ek，由于质量亏损而释放的能量为

ΔE＝2Ek－Ek0＝（2×8。

9－0.5）MeV＝17.3MeV

由ΔE＝Δmc2,可得：

Δm＝

＝

kg

＝3.1×10－29kg。

【答案】　

（1）

H＋

X→

He＋

He（或

H＋

Li→

He＋

He）　

（2）3。

1×10－29

12．一个静止的铀核

U（原子质量为232.0372u）放出一个α粒子（原子质量为4.0026u）后衰变成钍核

Th（原子质量为228。

0287u）．（已知原子质量单位1u＝1.67×10－27kg，1u相当于931.5MeV的能量,结果均保留两位有效数字）

（1）写出铀核的衰变方程；

（2）算出该衰变反应中释放出的核能;

（3）若释放的核能全部转化为新核的动能，则α粒子的动能为多少?

【导学号：

66390056】

【解析】　

（1）

U→

Th＋

He.

（2）质量亏损Δm＝mU－mα－mTh＝0.0059u

ΔE＝Δmc2＝0。

0059×931。

5MeV≈5。

5MeV.

（3）系统动量守恒,钍核和α粒子的动量大小相等,即pTh＋（－pα）＝0,pTh＝pα

EkTh＝

Ekα＝

，EkTh＋Ekα＝ΔE

所以α粒子获得的动能Ekα＝

·ΔE＝

×5。

5MeV≈5.4MeV。

【答案】　

（1）

U→

Th＋

He　

（2）5。

5MeV

（3）5。

4MeV