新高中物理 第十九章 原子核 5 核力與結(jié)合能導(dǎo)學(xué)案 新人教版選修35.doc

5核力與結(jié)合能目標(biāo)定位1.了解四種基本相互作用，知道核力的性質(zhì).2.能簡(jiǎn)單解釋輕核和重核內(nèi)中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)具有不同比例的原因.3.知道原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能的概念.4.知道什么是質(zhì)量虧損，能應(yīng)用質(zhì)能方程進(jìn)行計(jì)算一、核力與四種基本相互作用問題設(shè)計(jì)原子核內(nèi)有質(zhì)子和中子，質(zhì)子帶正電，中子不帶電原子核為什么不會(huì)在質(zhì)子間庫侖斥力的作用下分散為一個(gè)一個(gè)的核子呢？是什么力使核子結(jié)合成一個(gè)穩(wěn)固的原子核呢？答案核子間(質(zhì)子與質(zhì)子、中子與中子、質(zhì)子與中子)存在著一種比庫侖力大得多的核力要點(diǎn)提煉1核力：原子核里的核子間存在著相互作用的核力，核力把核子緊緊地束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核2核力特點(diǎn)(1)核力是核子間的一種強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)，在原子核的尺度內(nèi)，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(nèi)在大于0.81015 m時(shí)表現(xiàn)為吸引力，超過1.51015m時(shí)，核力急劇下降幾乎消失；而距離小于0.81015m時(shí)，核力表現(xiàn)為斥力(3)每個(gè)核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用，這種性質(zhì)稱為核力的飽和性(4)核力與核子是否帶電無關(guān)，質(zhì)子與質(zhì)子間、質(zhì)子與中子間、中子與中子間都可以有核力作用3四種基本相互作用二、原子核中質(zhì)子與中子的比例問題設(shè)計(jì)1一些較輕的原子核如he、o、c、n中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有什么關(guān)系？答案質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等2.u、th等重核中各有多少個(gè)中子、多少個(gè)質(zhì)子？較重的原子核中中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)有什么關(guān)系？答案u中含有92個(gè)質(zhì)子、146個(gè)中子；th中含有90個(gè)質(zhì)子，144個(gè)中子較重的原子核中中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，而且越重的原子核，兩者相差越多3試從核力的特點(diǎn)及核力的飽和性對(duì)上述現(xiàn)象做出解釋，并說明原子核能無限地增大嗎？答案(1)由于原子核是短程力，原子核大到一定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間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(duì)地增加質(zhì)子和中子，而只增加中子，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，故較重的原子核內(nèi)中子數(shù)多于質(zhì)子數(shù)(2)穩(wěn)定的重原子核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多，由于核力作用范圍有限，以及核力的飽和性，如果繼續(xù)增大原子核，一些核子間距離會(huì)大到其間根本沒有核力作用，這時(shí)即使再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的，所以原子核不能無限地增大要點(diǎn)提煉由于核力是短程力及核力的飽和性，自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的原子核，兩者相差越多三、結(jié)合能問題設(shè)計(jì)1設(shè)有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子在核力作用下靠近碰撞并結(jié)合成一個(gè)氘核質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核的過程中是釋放能量還是吸收能量？使氘核分解為質(zhì)子和中子的過程中呢？答案質(zhì)子和中子結(jié)合成原子核的過程中要釋放能量；氘核分解成質(zhì)子和中子時(shí)要吸收能量2如圖1所示是不同原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化的曲線圖1(1)從圖中看出，中等質(zhì)量的原子核與重核、輕核相比比結(jié)合能有什么特點(diǎn)？比結(jié)合能的大小反映了什么？(2)比結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化為比結(jié)合能較大的原子核時(shí)是吸收能量還是放出能量？答案(1)中等質(zhì)量的原子核比結(jié)合能較大，比結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定性，比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定(2)放出能量要點(diǎn)提煉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，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)之比稱為比結(jié)合能3核子數(shù)較小的輕核和核子數(shù)較大的重核，比結(jié)合能較小，中等核子數(shù)的原子核，比結(jié)合能較大當(dāng)比結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化為比結(jié)合能較大的原子核時(shí)會(huì)釋放核能4比結(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)定中等核子數(shù)的原子核，比結(jié)合能較大，原子核較穩(wěn)定四、質(zhì)量虧損和核能的計(jì)算問題設(shè)計(jì)1用粒子轟擊鈹(be)核發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程behecn甲同學(xué)說：核反應(yīng)過程中核子數(shù)沒變，所以質(zhì)量是守恒的；乙同學(xué)查找資料，各個(gè)原子核或核子的質(zhì)量如下：mbe9.012 19 u，mc12.000 u，m4.002 6 u，mn1.008 665 u(其中1 u1.660 5661027 kg)，他通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)反應(yīng)之后的質(zhì)量減少了，于是他得出結(jié)論：核反應(yīng)過程中質(zhì)量消失了這兩個(gè)同學(xué)的說法對(duì)嗎？如果不對(duì)錯(cuò)在哪里？你對(duì)質(zhì)量虧損是如何理解的？答案甲同學(xué)的說法錯(cuò)誤核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒；乙同學(xué)的說法錯(cuò)誤質(zhì)量虧損并不是質(zhì)量的消失對(duì)質(zhì)量虧損的理解(1)在核反應(yīng)中仍遵守質(zhì)量守恒和能量守恒，所謂的質(zhì)量虧損并不是這部分質(zhì)量消失或質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰课矬w的質(zhì)量應(yīng)包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，質(zhì)量虧損是靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量相聯(lián)系的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量(2)質(zhì)量虧損也不是核子個(gè)數(shù)的減少，核反應(yīng)中核子個(gè)數(shù)是不變的2試判斷上述核反應(yīng)過程中是釋放能量，還是吸收能量？并計(jì)算能量變化了多少？答案釋放能量反應(yīng)前的總質(zhì)量m1mbem9.012 19 u4.002 6 u13.014 79 u反應(yīng)后的總質(zhì)量m2mcmn12.000 u1.008 665 u13.008 665 u所以質(zhì)量虧損mm1m213.014 79 u13.008 665 u0.006 125 u.釋放的能量emc20.006 125 uc20.006 1251.660 5661027(3108)2 j9.151013 j5.719 mev.要點(diǎn)提煉1對(duì)質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的理解(1)質(zhì)能方程質(zhì)能方程：愛因斯坦的相對(duì)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(shí)質(zhì)能方程也寫作emc2.2核能的計(jì)算(1)根據(jù)質(zhì)量虧損計(jì)算根據(jù)核反應(yīng)方程，計(jì)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(jì)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(jì)算根據(jù)1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(shí)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.一、對(duì)核力和結(jié)合能的理解例1下列說法正確的是()a核力是短程力，作用范圍很小，只在鄰近核子間發(fā)生b核力可能是引力，也可能是斥力核力把核子緊緊束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核，但又不會(huì)融合在一起c質(zhì)子間、中子間、質(zhì)子和中子之間都有核力d核力是一種弱相互作用力，在其作用范圍內(nèi)，核力比庫侖力大得多解析核力作用的范圍在1015 m區(qū)域內(nèi)，只在鄰近核子間發(fā)生，是短程力，a對(duì)；核力可能表現(xiàn)為引力，也可能表現(xiàn)為斥力，b對(duì)；核力是質(zhì)子、中子之間的強(qiáng)相互作用力，c對(duì)；核力是一種強(qiáng)相互作用力，d錯(cuò)答案abc例2下列關(guān)于結(jié)合能和比結(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分解成核子放出的能量稱為結(jié)合能b比結(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)合能和比結(jié)合能都大d中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能均比輕核的要大解析核子結(jié)合成原子核放出能量，原子核分解成核子吸收能量，a選項(xiàng)錯(cuò)誤；比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，但比結(jié)合能大的原子核，其結(jié)合能不一定大，例如中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比重核大，但由于核子數(shù)比重核少，其結(jié)合能比重核反而小，b、c選項(xiàng)錯(cuò)誤；中等質(zhì)量原子核的比結(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(xiàng)正確答案d二、質(zhì)量虧損和核能的計(jì)算例3氘核和氚核聚變時(shí)的核反應(yīng)方程為hhhen，已知h的平均結(jié)合能是1.09 mev，h的平均結(jié)合能是2.78 mev，he的平均結(jié)合能是7.03 mev，則該核反應(yīng)釋放的能量為_ mev.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(gè)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.答案17.6例4一個(gè)鋰核(li)受到一個(gè)質(zhì)子的轟擊，變成兩個(gè)粒子已知質(zhì)子的質(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(jì)算上述核反應(yīng)釋放出的能量(保留3位有效數(shù)字)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 j2.7811012 j答案(1)lih2he(2)2.7811012 j核力與結(jié)合能1(對(duì)核力和結(jié)合能的理解)下列關(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對(duì)于較重的原子核，由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，如果繼續(xù)增大原子核，形成的核也一定是不穩(wěn)定的答案d解析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(duì)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(對(duì)結(jié)合能的理解)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銫原子核(cs)的結(jié)合能小于鉛原子核(pb)的結(jié)合能d比結(jié)合能越大，原子核越不穩(wěn)定e自由核子組成原子核時(shí)，其質(zhì)量虧損所對(duì)應(yīng)的能量大于該原子核的結(jié)合能答案abc解析結(jié)合能是把核子分開所需的最小能量，選項(xiàng)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，核子比結(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(xiàng)b正確；核子數(shù)越多，結(jié)合能越大，選項(xiàng)c正確；比結(jié)合能也叫平均結(jié)合能，比結(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(xiàng)d錯(cuò)誤；自由核子組成原子核時(shí)，其質(zhì)量虧損所對(duì)應(yīng)的能量等于該原子核的結(jié)合能，選項(xiàng)e錯(cuò)誤3(核能的計(jì)算)質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為m1、m2和m3.當(dāng)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核時(shí)，釋放的能量是(c表示真空中的光速)()a(m1m2m3)cb(m1m2m3)cc(m1m2m3)c2 d(m1m2m3)c2答案c解析由質(zhì)能方程emc2，其中mm1m2m3可得e(m1m2m3)c2，選項(xiàng)c正確4(核能的計(jì)算)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這一核反應(yīng)是吸收能量還是放出能量？能量變化是多少？(已知1 u相當(dāng)于931.5 mev的能量)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)故e(18.012 6918.011 40)931.5 mev1.2 mev.題組一對(duì)核力和結(jié)合能的理解1下列對(duì)核力的認(rèn)識(shí)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1.51015 m內(nèi)的核子之間，大于0.81015 m為吸引力，而小于0.81015 m為斥力答案d解析由核力的特點(diǎn)知道，只有相距1.51015m內(nèi)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)子與中子及中子與中子之間，由此知d正確，a、b、c錯(cuò)誤2下列對(duì)結(jié)合能、比結(jié)合能的認(rèn)識(shí)，正確的是()a一切原子核均具有結(jié)合能b自由核子結(jié)合為原子核時(shí)，可能吸收能量c結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定d比結(jié)合能越大的原子核越不穩(wěn)定答案a解析自由核子結(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(shí)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(cuò)誤；核子較多的原子核的結(jié)合能大，但它的比結(jié)合能不一定大，比結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定性，故c、d均錯(cuò)誤題組二質(zhì)量虧損和核能的計(jì)算3根據(jù)愛因斯坦的研究成果，物體的能量和質(zhì)量的關(guān)系是emc2，這一關(guān)系叫愛因斯坦質(zhì)能方程質(zhì)子的質(zhì)量為mp，中子的質(zhì)量為mn，氦核的質(zhì)量為m，下列關(guān)系式正確的是()am(2mp2mn) bm(2mp2mn) d以上關(guān)系式都不正確答案b4為了直接驗(yàn)證愛因斯坦狹義相對(duì)論中著名的質(zhì)能方程emc2，科學(xué)家用中子轟擊硫原子，分別測(cè)出原子捕獲中子前后質(zhì)量的變化以及核反應(yīng)過程中放出的能量，然后進(jìn)行比較，精確驗(yàn)證了質(zhì)能方程的正確性設(shè)捕獲中子前的原子質(zhì)量為m1，捕獲中子后的原子質(zhì)量為m2，被捕獲的中子質(zhì)量為m3，核反應(yīng)過程放出的能量為e，則這一實(shí)驗(yàn)需驗(yàn)證的關(guān)系式是()ae(m1m2m3)c2be(m1m3m2)c2ce(m2m1m3)c2de(m2m1m3)c2答案b解析反應(yīng)前的質(zhì)量總和為m1m3，質(zhì)量虧損mm1m3m2，核反應(yīng)釋放的能量e(m1m3m2)c2，選項(xiàng)b正確5有一種核反應(yīng)為：hhhx.已知h的質(zhì)量為2.013 6 u，h的質(zhì)量為1.007 3 u，x的質(zhì)量為3.018 0 u則下列說法正確的是()ax是質(zhì)子，該反應(yīng)吸收能量bx是氕，該反應(yīng)吸收能量cx是氘，該反應(yīng)釋放能量dx是氚，該反應(yīng)釋放能量答案d解析根據(jù)核反應(yīng)過程中的質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒，x應(yīng)為氚；又22.013 6 u3.018 0 u1.007 3 u，所以核反應(yīng)過程中存在質(zhì)量虧損，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程可知該反應(yīng)釋放能量6用質(zhì)子轟擊鋰核(li)生成兩個(gè)粒子，以此進(jìn)行有名的驗(yàn)證愛因斯坦質(zhì)能方程的實(shí)驗(yàn)，已知質(zhì)子的初動(dòng)能是0.6 mev，質(zhì)子、粒子和鋰核的質(zhì)量分別是1.007 3 u、4.001 5 u和7.016 0 u已知1 u相當(dāng)于931.5 mev的能量，則下列敘述中正確的是()a此反應(yīng)過程質(zhì)量減少0.010 3 ub若生成的兩個(gè)粒子的動(dòng)能之和是18.3 mev，與質(zhì)能方程相符c若核反應(yīng)中釋放的能量是18.9 mev，與質(zhì)能方程不相符d若生成的兩個(gè)粒子的動(dòng)能之和是19.5 mev，與質(zhì)能方程相符答案d7中子n、質(zhì)子p、氘核d的質(zhì)量分別為mn、mp、md.現(xiàn)用光子能量為e的射線照射靜止氘核使之分解，反應(yīng)方程為dpn，若分解后中子、質(zhì)子的動(dòng)能可視為相等，則中子的動(dòng)能是()a.(mdmpmn)c2eb.(mdmnmp)c2ec.(mdmpmn)c2ed.(mdmnmp)c2e答案c解析因?yàn)檩p核聚變時(shí)放出能量，質(zhì)量虧損，所以氘核分解為核子時(shí)，要吸收能量，質(zhì)量增加，本題核反應(yīng)過程中射線能量e對(duì)應(yīng)質(zhì)量的增加和中子與質(zhì)子動(dòng)能的產(chǎn)生，即emc22ek(mpmnmd)c22ek得eke(mpmnmd)c2(mdmpmn)c2e，故選c.8中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核時(shí)，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的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核不能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子b用能量小于2.2 mev的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核可能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，它們的動(dòng)能之和為零c用能量大于2.2 mev的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核可能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，它們的動(dòng)能之和為零d用能量大于2.2 mev的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核可能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，它們的動(dòng)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(shí)，氘核一定不能分解，所以a正確，b錯(cuò)誤用能量大于結(jié)合能的光子照射氘核時(shí)，氘核可能分解，只要分解，分解出的質(zhì)子和中子動(dòng)能之和一定不為零(若動(dòng)能之和為零就分不開了)，所以c錯(cuò)誤，d正確題組三綜合應(yīng)用9已知質(zhì)子的質(zhì)量是1.008 665 u、中子的質(zhì)量也是1.008 665 u，氫原子的質(zhì)量是1.007 825 u，碳原子的質(zhì)量是12.000 000 u,12個(gè)核子結(jié)合成碳原子核時(shí)，質(zhì)量虧損是_，碳原子核的比結(jié)合能是_答案0.098 940 u7.68 mev10.h的質(zhì)量是3.016 050 u，質(zhì)子的質(zhì)量是1.007 277 u，中子的質(zhì)量是1.008 665 u1 u相當(dāng)于931.5 mev的能量，求：(1)一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合為氚核時(shí)，是吸收還是放出能量？該能量為多