新2015-2016學年高中物理第十九章原子核5核力重點

1、5核力與結合能目標定位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知道原子核的結合能和比結合能的概念4知道什么是質(zhì)量虧損，能應用質(zhì)能方程進行計算.歹預習導學 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 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 x 1015m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.(4) 核力與核子是否帶電

2、無關，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、結合能與質(zhì)量虧損1. 結合能：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 合成原子核時放出的能量.2. 比結合能：原子核的結合能與核子數(shù)之比，

3、也叫平均結合能，比結合能越大，表示原子核中核子 結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，中等大小的核的比結合能最大、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解1 核力的特點：核力是

4、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 其間根本沒有核力的作用，這時候再增加

5、中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的.【例1】下列關于原子核中質(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.、結合能與比結合能的理解1 比結合能曲線：不同原子核的比結合能隨質(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 &0 120

6、160 200 240圖 19 5 1從圖中可看出，中等質(zhì)量原子核的比結合能最大，輕核和重核的比結合能都比中等質(zhì)量的原子核要小.2 .當比結合能較小的原子核轉化為比結合能較大的原子核時會釋放核能.3比結合能越大，表示原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，中等核子數(shù)的原子核，比結合 能較大，原子核較穩(wěn)定.【例2】下列關于結合能和比結合能的說法中，正確的有()A. 核子結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合能B. 比結合能越大的原子核越穩(wěn)定，因此它的結合能也一定越大C. 重核與中等質(zhì)量原子核相比較，重核的結合能和比結合能都大D. 中等質(zhì)量原子核的結合能和比結合能均比輕核的要大

7、答案 D解析 核子結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；比結合能越大的原子核越穩(wěn)定，但比結合能越大的原子核，其結合能不一定大，例如中等質(zhì)量原子核的比結合能比重核大，但由于核子數(shù)比重核少，其結合能比重核反而小，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，因此它的結合能也比輕核大，D選項正確.借題發(fā)揮結合能、比結合能的對比理解(1) 核子結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，表明原子核的結合能越大.(2) 比結合能為結合能與核子數(shù)的比值，比結合能越大表明原子核越穩(wěn)定.一般情況下，中等質(zhì)量的原

8、子核比輕核和重核的比結合能大.針對訓練 一個中子與某原子核發(fā)生核反應，生成一個氘核，其核反應方程式為 .該反應放出的能量為 Q,則氘核的比結合能為 .答案 0n + !h> 1H Q1 1 2解析方程式：on+ 1H> 1H核子結合成原子核要放出能量，這個能量叫原子核的結合能它的結合能與核子數(shù)之比，稱作比結合能，由題意知氘核的核子數(shù)為2,所以比結合能為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，減少的質(zhì)量在核子結合成核的過程

9、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)核反應方程，計算核反應前后的質(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】某核反應方程為 細+ ?HH；

10、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，該反應釋放能量B. X是中子，該反應釋放能量C. X是質(zhì)子，該反應吸收能量D. X是中子，該反應吸收能量答案 B解析由題目所給核反應方程式，根據(jù)核反應過程質(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，在該反應發(fā)生前反應物的總質(zhì)量m= 2.013 6 u + 3.018 0 u = 5.031 6 u ，反應后產(chǎn)物總質(zhì)量m= 4.002 6 u + 1.008 7 u = 5.01

11、1 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 方程可知該反應釋放能量，故B正確.借題發(fā)揮在核反應中，是釋放能量還是吸收能量，需要確定反應前、后質(zhì)量的變化若反應后質(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 關系，易誤選D.注意此反應過程質(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這一核反應是吸收能量還是放出能量？能量 變化是多少？

12、答案吸收能量 1.2 MeV解析 反應前總質(zhì)量：M+ Me= 18.011 40 u ,反應后總質(zhì)量：MO+ MH= 18.012 69 u.可以看出：反應后總質(zhì)量增加，故該反應是吸收能量的反應.吸收的能量利用 E= A mC來計算，若反應過程中質(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 全鞏固，應用，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)C.中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)D

13、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.對結合能與比結合能的理解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= ( m+ m m) c,

14、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可以計算核反應中釋放的核能C. 一個中子和一個質(zhì)子結合成氘核時，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)量增加了，則物 體的能量升

15、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. 寫出上述核反應的方程；（2）計算上述核反應釋放出的能量.（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）核反應的質(zhì)量虧損27 27 27 29A m= mi + m 2m

16、= （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歹題組訓練 解墾*糾偏*檢測（時間：60分鐘）題組一對核力及結合能的理解1下列關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. 核力與電荷有關答案 C解析 核力是短程力，超過 1.5 X 10 15 m,核力急劇下降幾乎

17、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 0,故D錯.2. （2013 新課標全國卷H ）關于原子核的結合能，下列說法正確的是（）A. 原子核的結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)物的結合能之和一定大于原來重核的結合能C. 銫原子核（15?Cs）的結合能小于鉛原子核（208Pb）的結合能D. 比結合能越大，原子核越不穩(wěn)定E. 自由核子組成原子核時，其質(zhì)量虧損所對應的能量大于該原子核的結合能答案 ABC解析 結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粒子和另一原子核，存在質(zhì)量虧損,核子

18、比結合能增大,衰變產(chǎn)物的結合能之和一定大于原來重核的結合能,選項B 正確；核子數(shù)越多,結合能越大,選項C 正確；比結合能也叫平均結合能,比結合能越大,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)量虧損所對應的能量等于該原子核的結合能，選項E錯誤.3. 對結合能、比結合能的認識,下列正確的是（）A. 一切原子核均具有結合能B. 自由核子結合為原子核時，可能吸收能量C. 結合能越大的原子核越穩(wěn)定D. 比結合能越大的原子核越穩(wěn)定答案 AD解析 由自由核子結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的能量,該能量即為結合能

19、,故A 正確、 B 錯誤；核子較多的原子核的結合能大，但它的比結合能不一定大，比結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錯，C正確.題組二質(zhì)量虧

20、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)量也一定相應減少 mB. 如果物體的質(zhì)量增加了 m它的能量也一定相應增加 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)子和一個中子結合成氘核，同時

21、放出丫光子，核反應方程是1H+ 0n一2H+ 丫，以下說法中正確的是（）A. 反應后氘核的質(zhì)量一定小于反應前質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和B. 反應前后的質(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 核反應中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)及能量均守恒，由于反應中要釋放核能，會出現(xiàn)質(zhì)量虧損，反應中 氘核的質(zhì)量一定小于反應前質(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931.5 MeV的能量，真

22、空中光速為 c，當質(zhì)量分別為 m和m的原 子核結合為質(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)子結合成氘核時，質(zhì)量虧損為A m相應的能量A E= A m(c= 2.2 MeV是氘核的結合能.下列說法正確的是 (

23、)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)子和中子動能之和一定不為零 (若

24、 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方程為?H+；He+ in，已知；H的平均結合能是 2.78 MeV ?H的平均結合能是1.09 MeV，2He的平均結合能是 7.03 MeV，則核反應時釋放的能量為 MeV.答案 17.6解析 聚變反應前氘核和氚核的總結合能Ei = (1.09 X 2+ 2.78 X 3) MeV= 10.52 MeV.反應后生成的氦核的結合能E2= 7.03 X 4 MeV= 28.12 MeV.由于單個核子無結合能，所以聚變過程釋放出的能量為 E= E2- Ei= (28.12 - 10.52) MeV = 17.6 Me

25、V.題組三綜合應用10.歷史上第一次利用加速器實現(xiàn)的核反應，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)設反應前質(zhì)子的動能為4氐，反應后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)子結合成一個氦核，同時釋放一定的核能，