新2015-2016學(xué)年高中物理19.5核力與結(jié)合能學(xué)案重點

1、5核力與結(jié)合能目標定位1. 了解四種基本相互作用， 知道核力的性質(zhì) 2能簡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)能方程進行計算.歹預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué) J檢理*識記， 一、核力與四種基本相互作用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. 核力特點蘇教版選修唐詩宋詞選讀 核力是核子間的強相互作用的一種表現(xiàn)，在它的作用范圍內(nèi)，核力比庫侖力大得多. (2) 核力是短程力，作用范圍在1.5 XI 015m之內(nèi).(3) 每個核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用，這也稱為核力的飽和性.(

2、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(1) 長程力：萬有引力、電磁力，在相同距離上，電磁力要比萬有引力強1035倍. 短程力：發(fā)生在原子核內(nèi)的強相互作用和弱相互作用弱相互作用是引起原子核B衰變的原因,其力程比強力更短，為 1018 m.二、原子核中質(zhì)子與中子的比例1. 較輕原子核：質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等.2. 較重原子核：中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多. 三、結(jié)合能與質(zhì)量虧損1. 結(jié)合能：克服核力束縛，使原子核分解為單個核子時需要的能量；或若干個核子在核力作用下結(jié) 合成原子核時放出的能量.2. 比結(jié)合能：原子

3、核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，也叫平均結(jié)合能，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，中等大小的核的比結(jié)合能最大、最穩(wěn)定.3. 質(zhì)量虧損(1)愛因斯坦質(zhì)能方程：E= mC.(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. 虧損的質(zhì)量與釋放的能量間的關(guān)系： E=A mC.想一想有人認為質(zhì)量虧損就是核子的個數(shù)變少了，這種認識對不對？答案 不對，在核反應(yīng)中質(zhì)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(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，核子的個數(shù)并沒有變化.言課堂講義 / 理解深化探究一、對核力及原子核中質(zhì)子與中子的比例的理

4、解1 核力的特點：核力是只在鄰近的核子之間發(fā)生的一種強相互作用，是短程力.2.核子比例關(guān)系：較輕的原子核質(zhì)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(zhì)子數(shù),越重的元素，兩者相差越多.3 形成原因(1) 若質(zhì)子與中子成對地構(gòu)建原子核，由于核力是短程力.當原子核增大到一定程度時，相距較遠的質(zhì)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.(2) 若只增加中子，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，所以穩(wěn)定的重原子核中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多.(3) 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

5、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.【例1】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，對于較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)， 越重的元素，兩者相差越多.因此正確答案選D.、結(jié)合能與比結(jié)合能的理解1 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19-5 1所示.比第合能/MeV4斗質(zhì)皿數(shù)040

6、 &0 120 160 200 240圖 19 5 1從圖中可看出，中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能最大，輕核和重核的比結(jié)合能都比中等質(zhì)量的原子核要小.2 .當比結(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會釋放核能.3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.【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拆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

7、和比結(jié)合能均比輕核的要大答案 D解析 核子結(jié)合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，A選項錯誤；比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，但比結(jié)合能越大的原子核，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選項錯誤；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選項正確.借題發(fā)揮結(jié)合能、比結(jié)合能的對比理解(1) 核子結(jié)合成原子核時一定釋放能量，原子核分開成核子時一定吸收能量.吸收或釋放的能量越大，表明原子核的結(jié)合能越大.(2) 比結(jié)合能為結(jié)合能與核子數(shù)的比值，比結(jié)合能越大表明原子核越穩(wěn)定.

8、一般情況下，中等質(zhì)量的原子核比輕核和重核的比結(jié)合能大.針對訓(xùn)練 一個中子與某原子核發(fā)生核反應(yīng)，生成一個氘核，其核反應(yīng)方程式為 .該反應(yīng)放出的能量為 Q,則氘核的比結(jié)合能為 .答案 0n + !h> 1H Q1 1 2解析方程式：on+ 1H> 1H核子結(jié)合成原子核要放出能量，這個能量叫原子核的結(jié)合能它的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱作比結(jié)合能，由題意知氘核的核子數(shù)為2,所以比結(jié)合能為Q三、質(zhì)量虧損和核能的計算1 對質(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E= mC.(2) 質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消失，減少的

9、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，這時質(zhì)能方程也寫作 E= A mc.2 核能的計算方法(1) 根據(jù)質(zhì)量虧損計算 根據(jù)核反應(yīng)方程，計算核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損A m 根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程 A E= A mC計算核能.其中A m的單位是千克，A E的單位是焦耳.(2) 利用原子質(zhì)量單位 u和電子伏特計算根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當于931.5 MeV的能量，用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5 MeV，即A E= A mx 931.5 MeV.其中A m的單位是u, A E的單位是 MeV.【例3】某核反

10、應(yīng)方程為 細+ ?HH；He+ X.已知1H的質(zhì)量為2.013 6 u ,泊的質(zhì)量為3.018 0 u , ；He的質(zhì)量為4.002 6 u , X的質(zhì)量為1.008 7 u .則下列說法中正確的是 ()A. X是質(zhì)子，該反應(yīng)釋放能量B. X是中子，該反應(yīng)釋放能量C. X是質(zhì)子，該反應(yīng)吸收能量D. X是中子，該反應(yīng)吸收能量答案 B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，可得泊+ 1卜2 ；He+ 0X,X為中子，在該反應(yīng)發(fā)生前反應(yīng)物的總質(zhì)量m= 2.013 6 u + 3.018 0 u = 5.031 6 u ，反應(yīng)后產(chǎn)物總質(zhì)量m= 4.002 6 u + 1.00

11、8 7 u = 5.011 3 u .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，故B正確.借題發(fā)揮在核反應(yīng)中，是釋放能量還是吸收能量，需要確定反應(yīng)前、后質(zhì)量的變化若反應(yīng)后質(zhì)量減少即發(fā)生了質(zhì)量虧損，則釋放出能量，反之吸收能量由于不明確質(zhì)量虧損的含義和與能量的 關(guān)系，易誤選D.注意此反應(yīng)過程質(zhì)量發(fā)生虧損，釋放出能量.【例4 已知氮核質(zhì)量 MN= 14.007 53 u，氧17核的質(zhì)量MO= 17.004 54 u，氦核質(zhì)量 MHe= 4.003 87 u, 氫核質(zhì)量 1.008 15 u,試判斷：147N+ 4He> 17sO+ iH這一核反應(yīng)是吸收能量還是放出

12、能量？能量 變化是多少？答案吸收能量 1.2 MeV解析 反應(yīng)前總質(zhì)量：M+ Me= 18.011 40 u ,反應(yīng)后總質(zhì)量：MO+ MH= 18.012 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).吸收的能量利用 E= A mC來計算，若反應(yīng)過程中質(zhì)量增加1 u ,就會吸收931.5 MeV的能量，故厶 E= (18.012 69 18.011 40) X 931.5 MeW 1.2 MeV.對點練習(xí) 全鞏固，應(yīng)用，反鍛對原子核中質(zhì)子與中子的比例的理解1 在自然界中，對于較重的原子核的中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)的比例關(guān)系，下列說法正確的是()A. 中子數(shù)等于質(zhì)子數(shù)B 中子數(shù)小于質(zhì)子數(shù)

13、C.中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)D 無法確定答案 C解析 原子核越重，原子間庫侖斥力就越大，而中子數(shù)多于質(zhì)子數(shù)，因中子與其他核子間沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，所以才有助于維系原子核的穩(wěn)定，故穩(wěn)定的重原子核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多.故正確答案為 C.對結(jié)合能與比結(jié)合能的理解2. (2014 北京卷)質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為m、m和m.當一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成氘核時，釋放的能量是(c表示真空中的光速)()A. (m+ m m) c B (m m m)c2 2C. (m+ m m) c D . (m m m) c答案 C2 2解析根據(jù)質(zhì)能方程，A E=A me,其中A m= m+ m m,則A E=

14、( m+ m m) c,C正確，A、B、D 錯誤.質(zhì)量虧損和核能的計算3為紀念愛因斯坦對物理學(xué)的巨大貢獻，聯(lián)合國將2005年定為“國際物理年” 對于愛因斯坦提出的質(zhì)能方程E= mC,下列說法中不正確的是（）A. E= mC表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比B. 根據(jù) E= A mC可以計算核反應(yīng)中釋放的核能C. 一個中子和一個質(zhì)子結(jié)合成氘核時，釋放出核能，表明此過程中出現(xiàn)了質(zhì)量虧損D. E= mC中的E是發(fā)生核反應(yīng)中釋放的核能答案 D解析 愛因斯坦質(zhì)能方程E= mC,定量地指出了物體能量和質(zhì)量之間的關(guān)系，A正確；由質(zhì)能方程知，當物體的質(zhì)量減少時，物體的能量降低，向外釋放了能量；反之，若物體的質(zhì)量

15、增加了，則物 體的能量升高，表明它從外界吸收了能量，所以由物體的質(zhì)量變化能算出物體的能量變化，故B、C正確，D錯誤.4. 一個鋰核（3Li）受到一個質(zhì)子的轟擊，變成兩個a粒子.已知質(zhì)子的質(zhì)量是 1.673 6 X 10 一27 kg ,一 27一 27鋰核的質(zhì)量是 11.650 5 X 10 kg，氦核的質(zhì)量是 6.646 6 X 10 kg. 寫出上述核反應(yīng)的方程；（2）計算上述核反應(yīng)釋放出的能量.（保留3位有效數(shù)字）答案（1） 3 Li + 1 > 2；He12（2）2.78 X 10 J解析（1）3 Li + 1 > 2；He（2）核反應(yīng)的質(zhì)量虧損27 27 27 29A m

16、= mi + m 2m = （11.650 5 X 10+ 1.673 6 X 10 2X 6.646 6 X 10） kg = 3.09 X 10 kg釋放的能量2一 298 2 12A E= A mc= 3.09 X 10 一 X （3 X 10 ） J = 2.78 X 10 一 J歹題組訓(xùn)練 解墾*糾偏*檢測（時間：60分鐘）題組一對核力及結(jié)合能的理解1下列關(guān)于核力的說法正確的是 （ ）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，作用范圍在1.5 X 10 一15 m之內(nèi)D. 核力與電荷有關(guān)答案 C解析 核力是短程力，超過 1.5 X 10 1

17、5 m,核力急劇下降幾乎消失，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) 0,故D錯.2. （2013 新課標全國卷H ）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. 重原子核衰變成 a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（15?Cs）的結(jié)合能小于鉛原子核（208Pb）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，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 ABC解析 結(jié)合能是把核子分開所需的最小能量，選項A正確；一重原子核衰變成a粒子和另一原

18、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B 正確；核子數(shù)越多,結(jié)合能越大,選項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D錯誤；自由核子組成原子核時，其質(zhì)量虧損所對應(yīng)的能量等于該原子核的結(jié)合能，選項E錯誤.3. 對結(jié)合能、比結(jié)合能的認識,下列正確的是（）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，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穩(wěn)定答案 AD解析 由自由核子結(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?由核子時需要吸收相應(yīng)

19、的能量,該能量即為結(jié)合能,故A 正確、 B 錯誤；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錯誤、D正確.4.圖 19 5-2如圖19 5 2所示是描述原子核核子的平均質(zhì)量m與原子序數(shù)Z的關(guān)系曲線，由圖可知下列說法正確的是（）A. 將原子核A分解為原子核B C可能吸收能量B. 將原子核D E結(jié)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(jié)合成原子核B 一定釋放能量答案 C解析 因B、C核子平均質(zhì)量小于 A的核子平均質(zhì)量，故 A分解為B C時，會出現(xiàn)質(zhì)量虧損，故放 出核能，故A錯，同理可得 B、D

20、錯，C正確.題組二質(zhì)量虧損和核能的計算5. 對公式 E= mW的正確理解是（）A. 如果物體的能量減少了 E,它的質(zhì)量也一定相應(yīng)減少 mB. 如果物體的質(zhì)量增加了 m它的能量也一定相應(yīng)增加 mCC. m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，若放出的能量是 E,則這些核子的質(zhì)量和與組成原子核的質(zhì)量之差就是 m答案 ABD解析 一定質(zhì)量對應(yīng)于一定的能量，物體的能量減少了 E,它的質(zhì)量也一定相應(yīng)減少 m即發(fā)生 質(zhì)量虧損，所以選項 A、D正確；如果物體的質(zhì)量增加了 m它的能量一定相應(yīng)增加 mC,所以選 項B正確；某原子核在衰變時，一定發(fā)生質(zhì)量虧損，所以選項C錯誤.6. 個質(zhì)子和

21、一個中子結(jié)合成氘核，同時放出丫光子，核反應(yīng)方程是1H+ 0n一2H+ 丫，以下說法中正確的是（）A. 反應(yīng)后氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和B. 反應(yīng)前后的質(zhì)量數(shù)不變，因而質(zhì)量不變C. 丫光子的能量為 mC, m為反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，c為光在真空中的速度D. 因存在質(zhì)量虧損 m所以“物質(zhì)不滅”的說法不正確答案 AC解析 核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)及能量均守恒，由于反應(yīng)中要釋放核能，會出現(xiàn)質(zhì)量虧損，反應(yīng)中 氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和，所以質(zhì)量不守恒，但質(zhì)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.7. 原子質(zhì)量單位為 u，1 u相當于93

22、1.5 MeV的能量，真空中光速為 c，當質(zhì)量分別為 m和m的原 子核結(jié)合為質(zhì)量為 M的原子核時釋放出的能量是 ()2A. (M- m m) u c B . (m + m ux 931.5 J2C( m1 m2 M) c2 D(m1m2M)x931.5 eV答案 C解析 在核能計算時，如果質(zhì)量的單位是 kg,則用 E= A mC進行計算，如果質(zhì)量的單位是 u,則 利用1 u相當于931.5 MeV的能量計算，即 A E= A mx 931.5 MeV進行計算，故 C正確，A B D錯.&中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核時，質(zhì)量虧損為A m相應(yīng)的能量A E= A m(c= 2.2 MeV是氘核的結(jié)合

23、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，氘核不能分解為一個質(zhì)子和一個中子B. 用能量小于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時，氘核可能分解為一個質(zhì)子和一個中子，它們的動能 之和為零C. 用能量大于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時，氘核可能分解為一個質(zhì)子和一個中子，它們的動能 之和為零D. 用能量大于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時，氘核可能分解為一個質(zhì)子和一個中子，它們的動能 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，氘核一定不能分解，所以A正確、B錯誤；用能量大于結(jié)合能的光子照射氘核時， 氘核可能分解， 只要分解， 分解出的質(zhì)子和中子

24、動能之和一定不為零 (若 動能之和為零就分不開了 )，所以C錯誤、D正確.9 .氘核和氚核聚變時的核反應(yīng)方程為?H+；He+ in，已知；H的平均結(jié)合能是 2.78 MeV ?H的平均結(jié)合能是1.09 MeV，2He的平均結(jié)合能是 7.03 MeV，則核反應(yīng)時釋放的能量為 MeV.答案 17.6解析 聚變反應(yīng)前氘核和氚核的總結(jié)合能Ei = (1.09 X 2+ 2.78 X 3) MeV= 10.52 MeV.反應(yīng)后生成的氦核的結(jié)合能E2= 7.03 X 4 MeV= 28.12 MeV.由于單個核子無結(jié)合能，所以聚變過程釋放出的能量為 E= E2- Ei= (28.12 - 10.52) M

25、eV = 17.6 MeV.題組三綜合應(yīng)用10.歷史上第一次利用加速器實現(xiàn)的核反應(yīng)，是用加速后動能為0.5 MeV的質(zhì)子1H轟擊靜止的Ex,4 -jo生成兩個動能均為 8.9 MeV的2He.(1 MeV = 1.6 X 10 J)(1)上述核反應(yīng)方程為質(zhì)量虧損為kg.答案 (1) !h+ 7 >；He+ ；He(或；H+ ；Li >；He+ ；He)(2)3.1 X 101H+ 3x> ；He+ ；He 或 1h+ 】Li > ；He+ ；He.(2)設(shè)反應(yīng)前質(zhì)子的動能為4氐，反應(yīng)后2He的動能為Ek,由于質(zhì)量虧損而釋放的能量為解析(1)根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可寫出核反應(yīng)方程為11# E= 2E< - E<0= (2 X 8.9 - 0.5) MeV = 17.3 MeV ,根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，有 m=3.1 X 10 -29 kg. E 17.3 X 1.6 X 10 了 =(3.0 X 108) 2 kg11兩個中子和兩個質(zhì)子結(jié)合成一個氦核，同時釋放一定的核能