2018-2019版物理新導(dǎo)學(xué)筆記選修3-5第19章5

核力與結(jié)合能[學(xué)習(xí)目標(biāo)

]

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．一、核力與四種基本相互作用[導(dǎo)學(xué)探究 ]1．有的同學(xué)認(rèn)為： “原子核內(nèi)質(zhì)子間的庫侖斥力，

與質(zhì)子、 中子間的萬有引力平衡而使原子達到穩(wěn)定狀態(tài)”，這種說法正確嗎？答案

不正確．在相同的距離上，質(zhì)子之間的庫侖力的大小大約比萬有引力強

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倍，兩者相差懸殊，不可能平衡．2．是什么力克服質(zhì)子之間的庫侖斥力，使核子結(jié)合成一個穩(wěn)固的原子核的？答案 核子間(質(zhì)子與質(zhì)子間、中子與中子間、質(zhì)子與中子間 )存在著一種比庫侖力大得多的核力．[知識梳理 ] 核力及其特點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．核力特點核力是強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－15m之內(nèi)．1.5×10在大于－15－150.8×10m時表現(xiàn)為吸引力，超過1.5×10m時，核力急劇下降幾乎消失；而在距離小于0.8×10－15m時，核力表現(xiàn)為斥力．每個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．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[導(dǎo)學(xué)探究 ]4 16 12 141．一些較輕的原子核如 2He、 8O、 6C、 7N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)相等．23492U、90Th等重核中各有多少個中子、多少個質(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238U中含有92個質(zhì)子、146個中子；23490個質(zhì)子，144個中子．較重的原9290Th中含有子核中中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)．3．試說明原子核能無限地增大嗎？答案 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，一些核子間距離會大到其間根本沒有核力作用，這時即使再增加中子，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．[知識梳理 ]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中，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但較重的原子核中，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)合能和質(zhì)量虧損[導(dǎo)學(xué)探究 ]1．設(shè)有一個質(zhì)子和一個中子在核力作用下靠近碰撞并結(jié)合成一個氘核． 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)合成氘核的過程中要釋放能量；氘核分解成質(zhì)子和中子時要吸收能量．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？比結(jié)合能的大小反映了什么？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是吸收能量還是釋放能量？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)釋放能量．[知識梳理 ]1．對結(jié)合能的理解結(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，也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能．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．比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定．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會釋放核能．2．對質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的理解質(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＝mc2.質(zhì)量虧損所謂質(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2寫作 E＝ mc.一、對結(jié)合能的理解1．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?。?．比結(jié)合能與原子核穩(wěn)定的關(guān)系比結(jié)合能的大小能夠反映原子核的穩(wěn)定程度，比結(jié)合能越大，原子核就越難拆開，表示該原子核越穩(wěn)定．核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，比結(jié)合能都比較小，表示原子核不太穩(wěn)定；中等核子數(shù)的原子核，比結(jié)合能較大，表示原子核較穩(wěn)定．當(dāng)比結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成比結(jié)合能較大的原子核時，就能釋放核能．例如，一個核子數(shù)較大的重核分裂成兩個核子數(shù)小一些的核，或者兩個核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個核子數(shù)大一些的核，都能釋放出巨大的核能．例1 (多選)(2017?江蘇單科 ?12C(1))原子核的比結(jié)合能曲線如圖 2所示．根據(jù)該曲線，下列判斷正確的有 ( )圖2414MeVA.He核的結(jié)合能約為246B.2He核比3Li核更穩(wěn)定24C．兩個1H核結(jié)合成2He核時釋放能量23589核中的大D.92U核中核子的平均結(jié)合能比36Kr答案BC解析4He核的結(jié)合能約為28MeV，A項錯誤；46由題圖可知223故He核比Li核的比結(jié)合能大，46B項正確；兩個24C項正2He核比3Li核穩(wěn)定，1H核結(jié)合成2He核時比結(jié)合能增大，釋放能量，確；23589D項錯誤．92U核中核子的平均結(jié)合能比36Kr核中的小，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)合能越大表明原子核越穩(wěn)定． 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．二、質(zhì)量虧損和核能的計算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 m.根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程 E＝ mc2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和電子伏特計算根據(jù) 1原子質(zhì)量單位 (u)相當(dāng)于 931.5MeV 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 931.5MeV，即 E＝ m×931.5MeV，其中 m的單位是 u，E的單位是 MeV.3．利用比結(jié)合能來計算核能原子核的結(jié)合能＝核子的比結(jié)合能×核子數(shù)．核反應(yīng)中反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的所有新核的總結(jié)合能之差，就是該核反應(yīng)所釋放 (或吸收)的核能．3的質(zhì)量是，質(zhì)子的質(zhì)量是，中子的質(zhì)量為．求：3.016050u1.007277u1.008665uH(質(zhì)量虧損1u相當(dāng)于釋放931.5MeV的能量)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？氚核的結(jié)合能和比結(jié)合能各是多少？答案(1)放出7.97MeV(2)7.97MeV2.66MeV解析(1)一個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合成氚核的核反應(yīng)方程式是1＋21n3H，10→1H反應(yīng)前各核子總質(zhì)量為mp＋2mn＝(1.007277＋2×1.008665)u＝3.024607u，反應(yīng)后新核的質(zhì)量為 mH＝3.016050u，質(zhì)量虧損為 m＝(3.024607－3.016050)u0.008557u.因反應(yīng)前的總質(zhì)量大于反應(yīng)后的總質(zhì)量，故此核反應(yīng)放出能量．釋放的核能為 E＝0.008557×931.5MeV ≈7.97MeV.(2)氚核的結(jié)合能即為 E＝7.97MeV ，它的比結(jié)合能為E≈2.66MeV.3例3取質(zhì)子的質(zhì)量mp＝1.6726×10－27n＝1.6749×10－27kg，中子的質(zhì)量kg，α粒子的質(zhì)m量mα＝6.6467×10－278m/s.請計算α粒子的結(jié)合能．(計算結(jié)果保留兩位kg，光速c＝3.0×10有效數(shù)字 )答案－124.3×10J解析根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E＝2mc，可求：E＝(2mp＋2mn－mα)c2≈4.3×10－12J.1．(對核力和結(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 ( )．原子核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)一定相等．穩(wěn)定的重原子核里，質(zhì)子數(shù)比中子數(shù)多．原子核都是非常穩(wěn)定的．對于較重的原子核，由于核力的作用范圍有限，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 D2．(對結(jié)合能的理解 )(多選)關(guān)于原子核的結(jié)合能，下列說法正確的是 ( )．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．一重原子核衰變成α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

(

13355Cs)的結(jié)合能小于鉛原子核

(

20882Pb)的結(jié)合能．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 α粒子和另一原子核，釋放能量，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；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 D錯誤．3．核能的計算)質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為m1、m2和m3當(dāng)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．(m1＋m2－m3B．(m1－m2－m3)c)cC．(m1＋m2－m32D．(m1－m2－m32)c)c答案C解析由質(zhì)能方程E＝2＝1＋2－3，可得＝1＋2－32mmmmE(mmCm)c正確．4．(核能的計算)已知氮核質(zhì)量MN＝14.00753u，氧17核的質(zhì)量MO＝17.00454u，氦核質(zhì)量MHe＝4.00387u，氫核質(zhì)量MH＝1.00815u，試判斷：1441717N＋2He→8O＋1H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1u相當(dāng)于931.5MeV的能量)答案吸收能量1.2MeV解析反應(yīng)前總質(zhì)量：MN＋MHe＝18.01140u，反應(yīng)后總質(zhì)量： MO＋MH＝18.01269u.可以看出：反應(yīng)后總質(zhì)量增加，故該核反應(yīng)吸收能量．故E＝(18.01269－18.01140)×931.5MeV≈1.2MeV.考點一 對核力和結(jié)合能的理解1．下列對核力的認(rèn)識正確的是 ( )．任何物體之間均存在核力．核力廣泛存在于自然界中的核子之間．核力只存在于質(zhì)子之間D．核力只發(fā)生在相距1.5－15－15×10m內(nèi)的核子之間，大于0.8×10m表現(xiàn)為吸引力，而小于0.8×10－15m表現(xiàn)為斥力答案 D解析 由核力的特點知道， 只有相距 1.5×10－15m內(nèi)的核子之間才存在核力， 大于 0.8×10－15m時表現(xiàn)為吸引力，小于 0.8×10－15m時表現(xiàn)為斥力，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錯誤．2．下列對結(jié)合能、比結(jié)合能的認(rèn)識，正確的是 ( )．一切原子核均具有結(jié)合能．自由核子結(jié)合為原子核時，可能吸收能量．結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定．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錯誤；核子數(shù)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)合能越大，原子核越穩(wěn)定，故 C、D錯誤．考點二 質(zhì)量虧損和核能的計算3．原子質(zhì)量單位為 u,1u相當(dāng)于 931.5 MeV 的能量，真空中光速為 c，當(dāng)質(zhì)量分別為 m1和m2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－m1－m2)u×cB．(m1＋m2－M)u×931.5JC．(m1＋m2－M)cD．(m1＋m2－M)u×931.5MeV答案D4．為紀(jì)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＝mc2，下列說法中不正確的是()A．E＝mc2定量地指出了物體具有的能量與其質(zhì)量之間的關(guān)系2B．根據(jù) E＝ mc 可以計算核反應(yīng)中釋放的核能．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2D．E＝mc中的E是發(fā)生核反應(yīng)時釋放的核能答案 D解析愛因斯坦質(zhì)能方程E＝mc2A正定量的指出了物體具有的能量與其質(zhì)量之間的關(guān)系，確；由質(zhì)能方程知，當(dāng)物體的質(zhì)量減少時，物體的能量降低，向外界釋放能量；反之，當(dāng)物體的質(zhì)量增加時，物體的能量升高，從外界吸收能量，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．5．用質(zhì)子轟擊鋰核7已(Li)生成兩個α粒子，以此進行有名的驗證愛因斯坦質(zhì)能方程的實驗，3知質(zhì)子的初動能是0.6MeV，質(zhì)子、α粒子和鋰核的質(zhì)量分別是1.0073u、4.0015u和7.0160u．已知1u相當(dāng)于931.5MeV的能量，則下列敘述中正確的是()A．此反應(yīng)過程質(zhì)量減少了0.0103uB．若生成的兩個α粒子的動能之和約是18.3MeV，與質(zhì)能方程相符C．若核反應(yīng)中釋放的能量約是18.9MeV，與質(zhì)能方程不相符D．若生成的兩個α粒子的動能之和約是19.5MeV，與質(zhì)能方程相符答案D6．當(dāng)兩個中子和兩個質(zhì)子結(jié)合成一個α粒子時，放出28.30MeV的能量，當(dāng)三個α粒子結(jié)合成一個碳核時，放出7.26MeV的能量，則當(dāng)6個中子和6個質(zhì)子結(jié)合成一個碳核時，釋放的能量為()A．21.04MeVB．35.56MeVC．92.16MeVD．77.64MeV答案C解析 設(shè)中子的質(zhì)量為 mn，質(zhì)子的質(zhì)量為 mp，α粒子的質(zhì)量為 mα，碳原子核的質(zhì)量為 mC.根據(jù)質(zhì)能方程：E1＝28.30MeV＝[2(mn＋mp)－mα]c22E2＝7.26MeV＝(3mα－mC)cE3＝(6mn＋6mp－mC)c

2由以上各式得 E3＝92.16MeV.7．中子n、質(zhì)子、氘核D的質(zhì)量分別為mn、mp、mD現(xiàn)用光子能量為E的γ射線照射靜止p.氘核使之分解，反應(yīng)方程為γ＋D→p＋n，若分解后中子、質(zhì)子的動能可視為相等，則中子的動能是()12－E]A.[(mD－mp－mn)c21[(mD＋mn－mp)c＋]B.22EC.1[(mD－m－mn)cp2＋E]212D.[(mDn－mp)c－]2＋mE答案 C解析 氘核分解為核子時，要吸收能量，質(zhì)量增加，本題核反應(yīng)過程中 γ射線能量 E對應(yīng)質(zhì)量的增加和中子與質(zhì)子動能的產(chǎn)生，即＝2k＝p＋n－2k得1Emc2E(mm2EEm2212＋mn－mD)c]＝2[(mD－mp－mn)c＋E]，故選C.8．多選)中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核時，質(zhì)量虧損為m，相應(yīng)的能量＝2＝2.2MeV是氘(Emc核的結(jié)合能．下列說法正確的是()A．用能量小于2.2MeV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2.2MeV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 2.2MeV 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，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．

B錯誤；用考點三綜合應(yīng)用6核俘獲一個中子發(fā)生核反應(yīng)，放出α粒子的同時生成一個核，該核反9．靜止的3Li應(yīng)過程放出的能量為E，已知真空中光速為c，則該核反應(yīng)質(zhì)量虧損為．答案3E1H(氚)2c解析根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的原則，靜止的36Li核俘獲一個中子發(fā)生核反應(yīng)，放出α粒子同時生成一個3E，真空中光速為c，根據(jù)E＝21H核，已知該核反應(yīng)過程放出的能量為mc，E則該核反應(yīng)質(zhì)量虧損為

m＝

c

2.．電子俘獲是指原子核俘獲一個核外軌道電子，使核內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€中子．一種理論認(rèn)為地?zé)崾擎?8在地球內(nèi)部的高溫高壓環(huán)境下發(fā)生電子俘獲核反應(yīng)生成鈷5758(28Ni)57(27Co)時產(chǎn)生的．則鎳58電子俘獲的核反應(yīng)方程為；若該核反應(yīng)中釋放的能量與一個頻率為ν的光子能量相等，已知真空中光速和普朗克常量分別是c和h，則該核反應(yīng)中質(zhì)量虧損m為．答案580571hν28Ni＋－1e→27Co＋0n2c解析核反應(yīng)方程為：5857128Ni＋0－1e→27Co＋0n2根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能