高中物理第四章核力與結(jié)合能學案含解析粵教版選修

1、學案4核力與結(jié)合能學習目標定位 1.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)合能和平均結(jié)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1原子核的組成：原子核由質(zhì)子和中子組成；原子核非常小，半徑數(shù)量級為1015 m.2能量單位：1 eV106 MeV1.61019 J. 3核力及其性質(zhì)(1)組成原子核的核子之間有很強的相互作用力，使核子能夠克服庫侖斥力而緊密地結(jié)合在一起，這種力稱為核力(2)核力是一種很強的力，在它的作用范圍內(nèi)核力比庫侖力大的多(3)核力是一種短程力在約0.51015m21015m的距離內(nèi)主要表現(xiàn)為引力；大于210

2、15m的距離時核力就迅速減小為零；在小于0.51015m的距離內(nèi)，核力又轉(zhuǎn)變?yōu)閺姶蟮某饬Χ购俗硬蝗诤显谝黄?重核與輕核原子核中的質(zhì)子數(shù)又稱為原子序數(shù)，排在周期表比較靠后的元素對應的原子核叫做重核，排在比較靠前的叫做輕核一般排在周期表最前面的輕核的質(zhì)子和中子數(shù)相等但是大多數(shù)重核是中子多于質(zhì)子5結(jié)合能(1)由于核子間存在著強大的核力，要把原子核拆散成核子，需要克服核力做功，也就是說需要提供一定的能量反過來，根據(jù)能量守恒，核子結(jié)合成原子核時也會放出一定的能量，這個能量叫做原子核的結(jié)合能(2)用高能量的光子照射氘核，可以使它分解為質(zhì)子和中子，核反應方程是eq oal(2,1)Heq oal(1,1)

3、Heq oal(1,0)n.光子的能量大于或等于2.22 MeV.相反的過程，一個中子和一個質(zhì)子結(jié)合成氘核會釋放出2.22 MeV的能量這個能量以光子的形式輻射出去核反應方程是eq oal(1,0)neq oal(1,1)Heq oal(2,1)H.(3)原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比稱為該原子核的平均結(jié)合能平均結(jié)合能越大，核越穩(wěn)定6質(zhì)量虧損和核能的計算核子結(jié)合成原子核時，反應前和反應后的質(zhì)量之差叫質(zhì)量虧損虧損的質(zhì)量與反應中釋放的能量相對應，它們之間的關系遵循愛因斯坦的質(zhì)能方程為Emc2.一、原子核中質(zhì)子和中子的比例問題設計一些較輕的原子核如eq oal(4,2)He、eq oal(16, 8)O

4、、eq oal(12, 6)C、eq oal(14, 7)N中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有什么關系？答案質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等要點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，兩者相差越多二、結(jié)合能問題設計如圖1所示是不同原子核的平均結(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、輕核相比平均結(jié)合能有什么特點？平均結(jié)合能的大小反映了什么？(2)平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化為平均結(jié)合能較大的原子核時是吸收能量還是放出能量？答案(1)中等質(zhì)量的原子核平均結(jié)合能較大，平均結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定性，平均

5、結(jié)合能越大，原子越穩(wěn)定(2)放出能量要點提煉1核子數(shù)較小的輕核和核子數(shù)較大的重核，平均結(jié)合能較小，中等核子數(shù)的原子核，平均結(jié)合能較大當平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化為平均結(jié)合能較大的原子核時會釋放核能2平均結(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，平均結(jié)合能較大，原子核較穩(wěn)定三、質(zhì)量虧損和核能的計算問題設計用粒子轟擊鈹(eq oal(9,4)Be)核發(fā)現(xiàn)中子的核反應方程eq oal(9,4)Beeq oal(4,2)Heeq oal(12, 6)Ceq oal(1,0)n甲同學說：核反應過程中核子數(shù)沒變，所以質(zhì)量是守恒的；乙同學查找資料，各個原子核或核子的質(zhì)量如下：

6、mBe9.012 19 u，mC12.000 u，m4.002 6 u，mn1.008 665 u(其中1 u1.660 5661027 kg)，他通過計算發(fā)現(xiàn)反應之后的質(zhì)量減少了，于是他得出結(jié)論：核反應過程中質(zhì)量消失了這兩個同學的說法對嗎？如果不對錯在哪里？你對質(zhì)量虧損是如何理解的？答案甲同學的說法錯誤核反應過程中質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒；乙同學的說法錯誤質(zhì)量虧損并不是質(zhì)量的消失對質(zhì)量虧損的理解(1)在核反應中仍遵守質(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)量應包括靜止質(zhì)量和運動質(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)系的運動質(zhì)量

7、(2)質(zhì)量虧損也不是核子個數(shù)的減少，核反應中核子個數(shù)是不變的要點提煉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，這時質(zhì)能方程也寫作Emc2.2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m.根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程Emc2計算核能其中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和電子伏特計算明確原子質(zhì)量單位u和電子伏特之

8、間的關系1 u1.660 61027 kg,1 eV1.602 1781019 J由Emc2得Eeq f(1.660 610272.997 91082,1.602 1781019) eV931.5 MeV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Em931.5 MeV.其中m的單位是u，E的單位是MeV.一、對核力和結(jié)合能的理解例1(單選)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

9、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)，越重的原子核，兩者相差越多因此正確答案選D.答案D例2(單選)下列關于結(jié)合能和平均結(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平均結(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)合能和平均結(jié)合能都大D中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和平均結(jié)合能均比輕核的要大解析核子結(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；平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，但平

10、均結(jié)合能越大的原子核，其結(jié)合能不一定大，例如中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能比重核大，但由于核子數(shù)比重核少，其結(jié)合能反而比重核小，B、C選項錯誤；中等質(zhì)量原子核的平均結(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選項正確答案D二、質(zhì)量虧損和核能的計算例3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：eq oal(14, 7)Neq oal(4,2)Heeq oal(17, 8)Oeq oal(1,1)H這一核反應是吸收能量還是放出能量？能量變化是多少？解析反

11、應前總質(zhì)量：MNMHe18.011 40 u，反應后總質(zhì)量：MOMH18.012 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Emc2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E(18.012 6918.011 40)931.5 MeV1.2 MeV.答案吸收能量1.2 MeVeq x(核力與結(jié)合能)eq blcrc (avs4alco1(核力及其性質(zhì),結(jié)合能及平均結(jié)合能,質(zhì)量虧損,愛因斯坦質(zhì)能方程Emc2blcrc (avs4alco1(核能的計算,Emc2)1(單選)對核子結(jié)合成原子核的下列說法正確的是()A原子核內(nèi)的核子間均存

12、在核力B原子核內(nèi)的質(zhì)子間均存在核力和庫侖力C穩(wěn)定原子核的質(zhì)子數(shù)總是與中子數(shù)相等D對質(zhì)子數(shù)較多的原子核，其中的中子數(shù)起到增加核力、維系原子核穩(wěn)定的作用答案D解析核力是短程力，只會發(fā)生在相鄰核子之間，由此知A、B錯誤；核力只作用于相鄰的核子，隨著質(zhì)子數(shù)增加，為使原子核保持穩(wěn)定，必須靠中子數(shù)的增多來抵消庫侖力的作用，故C錯誤，D正確2(雙選)關于原子核的結(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，其質(zhì)量虧損所對應的能量大于該原子

13、核的結(jié)合能答案AB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B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C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(jié)合能，選項D錯誤3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eq oal(1,1)H轟擊靜止的eq oal(A,Z)X，生成兩個動能均為8.9 MeV的eq oal(4,2)He.(1 MeV1.61013 J)(1)上述核反應方

14、程為_(2)質(zhì)量虧損為_ kg.答案(1)eq oal(1,1)Heq oal(7,3)Xeq oal(4,2)Heeq oal(4,2)He(或eq oal(1,1)Heq oal(7,3)Lieq oal(4,2)Heeq oal(4,2)He)(2)3.11029kg解析(1)eq oal(1,1)Heq oal(7,3)Xeq oal(4,2)Heeq oal(4,2)He或eq oal(1,1)Heq oal(7,3)Lieq oal(4,2)Heeq oal(4,2)He(2)mc2E末E初meq f(E末E初,c2)eq f(28.90.51.61013,31082)kg3.11

15、029 kg概念規(guī)律題組1(單選)對結(jié)合能、平均結(jié)合能的認識，下列說法正確的是()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平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定答案D解析氫原子核只有一個質(zhì)子，無結(jié)合能，結(jié)合能并不是原子核所具有的能量，故A錯；自由核子結(jié)合為原子核時，放出能量，故B錯；平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，故C錯，D對2(雙選)愛因斯坦提出了質(zhì)能方程，揭示了質(zhì)量與能量的關系，關于質(zhì)能方程，下列說法正確的是()A質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化B當物體向外釋放能量時，其質(zhì)量必定減少，且減少的質(zhì)量m與釋放的能量E滿足Emc2C物質(zhì)的核能可用mc2表示Dmc2是物

16、體能夠放出能量的總和答案BD解析Emc2式中E表示物體具有的總能量，m表示物體的質(zhì)量，故C錯誤，D正確；Emc2表示當物體的能量增加或減少E時，其質(zhì)量相應的增加或減少m，故A錯誤，B正確3(單選)核子結(jié)合成原子核或原子核分解為核子時，都伴隨著巨大的能量變化，這是因為()A原子核帶正電，電子帶負電，電荷間存在很大的庫侖力B核子具有質(zhì)量且相距很近，存在很大的萬有引力C核子間存在著強大的核力D核子間存在著復雜磁力答案C解析核力是短程力，由于核力很強大，所以將核子拆開需要大量的能量克服核力做功相反，若核子結(jié)合成原子核，則放出大量的能量，所以選項C正確4(單選)為了直接驗證愛因斯坦狹義相對論中著名的質(zhì)能

17、方程Emc2，科學家用中子轟擊硫原子，分別測出原子捕獲中子前后質(zhì)量的變化以及核反應過程中放出的熱量，然后進行比較，精確驗證了質(zhì)能方程的正確性設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，核反應過程放出的能量為E，則這一實驗需驗證的關系式是()AE(m1m2m3)c2BE(m1m3m2)c2CE(m2m1m3)c2DE(m2m1m3)c2答案B解析反應前的質(zhì)量總和為m1m3，質(zhì)量虧損mm1m3m2，核反應釋放的能量E(m1m3m2)c2，選項B正確方法技巧題組5(單選)原子質(zhì)量單位為u,1 u相當于931.5 MeV的能量，真空中光速為c，當質(zhì)量分別為m1和m

18、2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()A(Mm1m2)uc2B(m1m2M)u931.5 JC(m1m2M)c2D(m1m2M)931.5 eV答案C解析在核能計算時，如果質(zhì)量的單位是kg，則用Emc2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Em931.5 MeV進行計算，故C正確，A、B、D錯誤6(單選)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，反應方程為Dpn，若分解后中子、質(zhì)子的動能可視為相等，則中子的動能是()A.eq f(1,2)(mDmpmn)c2EB.eq f(1,2)(m

19、Dmnmp)c2EC.eq f(1,2)(mDmpmn)c2ED.eq f(1,2)(mDmnmp)c2E答案C解析因為氘核分解為核子時，要吸收能量，質(zhì)量增加，本題核反應過程中射線能量E對應質(zhì)量的增加和中子與質(zhì)子動能的產(chǎn)生，即Emc22Ek(mpmnmD)c22Ek得Ekeq f(1,2)E(mpmnmD)c2eq f(1,2)(mDmpmn)c2E，故選C.7(雙選)中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核時，質(zhì)量虧損為m，相應的能量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，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

20、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8氘核和氚核聚變時的核反應方程為eq oal(2,1)Heq oal(3,1)Heq oal(4,2)Heeq oal

21、(1,0)n，已知eq oal(3,1)H的平均結(jié)合能是2.78 MeV，eq oal(2,1)H的平均結(jié)合能是1.09 MeV，eq oal(4,2)He的平均結(jié)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(jié)合能E1(1.0922.783) MeV10.52 MeV.反應后生成的氦核的結(jié)合能E27.034 MeV28.12 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EE2E1(28.1210.52) MeV17.6 MeV.9.eq oal(3,1)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

22、質(zhì)量是1.008 665 u求：(1)一個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合為氚核時，是吸收還是放出能量？該能量為多少？(2)氚核的結(jié)合能和平均結(jié)合能各是多少？(3)如果此能量是以光子形式放出的，則光子的頻率是多少？答案(1)放出能量7.97 MeV(2)7.97 MeV2.66 MeV(3)1.921021 Hz解析(1)一個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合成氚核的核反應方程是eq oal(1,1)H2eq oal(1,0)neq oal(3,1)H，反應前各核子總質(zhì)量為mp2mn1.007 277 u21.008 665 u3.024 607 u，反應后新核的質(zhì)量為mH3.016 050 u，質(zhì)量虧損為m3.024 607u3.016 050 u