《新2015-2016学年高中物理19.5核力与结合能学案重点.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新2015-2016学年高中物理19.5核力与结合能学案重点.pdf（11页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、1 5 核力与结合能 目标定位 1. 了解四种基本相互作用，知道核力的性质.2. 能简单解释轻核和重核内中子数、质子 数具有不同比例的原因.3. 知道原子核的结合能和比结合能的概念.4. 知道什么是质量亏损，能应用 质能方程进行计算 一、核力与四种基本相互作用 1核力：原子核里的核子间存在着相互作用的核力，核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原 子核 2核力特点苏教版选修唐诗宋词选读 (1) 核力是核子间的强相互作用的一种表现，在它的作用范围内，核力比库仑力大得多 (2) 核力是短程力，作用范围在1.5 1 0 15m之内 (3) 每个核子只跟邻近的核子发生核力作用，这也称为核力的饱和性 (
2、4) 核力与核子是否带电无关，质子与质子间、质子与中子间、中子与中子间都可以有核力作用 3四种基本相互作用 (1) 长程力：万有引力、电磁力，在相同距离上，电磁力要比万有引力强10 35 倍 (2) 短程力：发生在原子核内的强相互作用和弱相互作用弱相互作用是引起原子核衰变的原因， 其力程比强力更短，为10 18 m. 二、原子核中质子与中子的比例 1较轻原子核：质子数与中子数大致相等 2较重原子核：中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多 三、结合能与质量亏损 1结合能：克服核力束缚，使原子核分解为单个核子时需要的能量；或若干个核子在核力作用下结 合成原子核时放出的能量 2比结合能：原子核的
3、结合能与核子数之比，也叫平均结合能，比结合能越大，表示原子核中核子 结合得越牢固，原子核越稳定，中等大小的核的比结合能最大、最稳定 3质量亏损 (1) 爱因斯坦质能方程：Emc 2 2 (2) 质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象 (3) 亏损的质量与释放的能量间的关系：Emc 2 想一想有人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认识对不对？ 答案不对，在核反应中质量数守恒即核子的个数不变，只是核子组成原子核时，仿佛变“轻”了 一些，原子核的质量总是小于其全部核子质量之和，即发生了质量亏损，核子的个数并没有变化 一、对核力及原子核中质子与中子的比例的理解 1核力的特点：核力是
4、只在邻近的核子之间发生的一种强相互作用，是短程力 2 核子比例关系： 较轻的原子核质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核中子数大于质子数， 越重的元素，两者相差越多 3形成原因 (1) 若质子与中子成对地构建原子核，由于核力是短程力当原子核增大到一定程度时，相距较远的 质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了 (2) 若只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的 稳定，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多 (3) 由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距离会大到 其间根本没有核力的作用，这时候再
5、增加中子，形成的核也一定是不稳定的 例 1下列关于原子核中质子和中子的说法，正确的是( ) A原子核中质子数和中子数一定相等 B稳定的重原子核里，质子数比中子数多 C原子核都是非常稳定的 D对于较重的原子核，由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果继续增大原子核， 形成的核也一定是不稳定的 答案D 解析自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，对于较重的原子核，中子数大于质子数， 越重的元素，两者相差越多因此正确答案选D. 二、结合能与比结合能的理解 3 1比结合能曲线：不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图1951 所示 图 1951 从图中可看出，中等质量原子核的比结合能最
6、大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要 小 2当比结合能较小的原子核转化为比结合能较大的原子核时会释放核能 3比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，中等核子数的原子核，比结合 能较大，原子核较稳定 例 2下列关于结合能和比结合能的说法中，正确的有( ) A核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能 B比结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大 C重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和比结合能都大 D中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大 答案D 解析核子结合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，A 选项错误；比结
7、合能越大 的原子核越稳定，但比结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的比结合能 比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核反而小，B、C选项错误；中等质量原子核的比 结合能比轻核的大，它的原子核内核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，D选项正确 借题发挥结合能、比结合能的对比理解 (1) 核子结合成原子核时一定释放能量，原子核分开成核子时一定吸收能量吸收或释放的能量越大， 表明原子核的结合能越大 (2) 比结合能为结合能与核子数的比值，比结合能越大表明原子核越稳定一般情况下，中等质量的 原子核比轻核和重核的比结合能大 针 对 训 练一 个 中 子 与 某 原 子 核
8、 发 生 核 反 应 ， 生 成 一 个 氘 核 ， 其 核 反 应 方 程 式 为 _该反应放出的能量为Q，则氘核的比结合能为_ 答案 1 0n 1 1H 2 1H Q 2 解析方程式： 1 0n 1 1H 2 1H 4 核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫原子核的结合能它的结合能与核子数之比，称作比结 合能，由题意知氘核的核子数为2，所以比结合能为 Q 2. 三、质量亏损和核能的计算 1对质能方程和质量亏损的理解 (1) 质能方程 质能方程：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是Emc 2. (2) 质量亏损 质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成
9、核的过程中以能量的形式辐射出去了物体 质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写作Emc 2. 2核能的计算方法 (1) 根据质量亏损计算 根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损m. 根据爱因斯坦质能方程Emc 2 计算核能 其中 m的单位是千克，E的单位是焦耳 (2) 利用原子质量单位u 和电子伏特计算 根据 1 原子质量单位(u) 相当于 931.5 MeV的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位 数乘以 931.5 MeV ，即 Em931.5 MeV. 其中 m的单位是u，E的单位是MeV. 例 3某核反应方程为 2 1H 3 1H 4 2He
10、 X.已知 2 1H的质量为2.013 6 u， 3 1H 的质量为3.018 0 u， 4 2He的 质量为 4.002 6 u，X的质量为1.008 7 u则下列说法中正确的是( ) AX是质子，该反应释放能量 BX是中子，该反应释放能量 CX是质子，该反应吸收能量 DX是中子，该反应吸收能量 答案B 解析由题目所给核反应方程式，根据核反应过程质量数、电荷数守恒规律，可得 2 1H 3 1H 4 2He 1 0X， X为中子，在该反应发生前反应物的总质量m12.013 6 u3.018 0 u5.031 6 u，反应后产物总 质量m24.002 6 u 1.008 7 u 5.011 3
11、u 总质量减少，出现了质量亏损根据爱因斯坦的质能 方程可知该反应释放能量，故B正确 5 借题发挥在核反应中，是释放能量还是吸收能量，需要确定反应前、后质量的变化若反应后质 量减少即发生了质量亏损，则释放出能量，反之吸收能量由于不明确质量亏损的含义和与能量的 关系，易误选D. 注意此反应过程质量发生亏损，释放出能量 例 4已知氮核质量MN14.007 53 u，氧 17 核的质量MO17.004 54 u，氦核质量MHe4.003 87 u， 氢核质量MH1.008 15 u，试判断： 14 7N 4 2He 17 8O 1 1H这一核反应是吸收能量还是放出能量？能量 变化是多少？ 答案吸收能量
12、1.2 MeV 解析反应前总质量：MNMHe18.011 40 u， 反应后总质量：MOMH18.012 69 u. 可以看出：反应后总质量增加，故该反应是吸收能量的反应 吸收的能量利用Emc 2 来计算，若反应过程中质量增加1 u ，就会吸收931.5 MeV 的能量， 故E(18.012 6918.011 40) 931.5 MeV 1.2 MeV. 对原子核中质子与中子的比例的理解 1在自然界中，对于较重的原子核的中子数和质子数的比例关系，下列说法正确的是( ) A中子数等于质子数 B 中子数小于质子数 C中子数大于质子数 D 无法确定 答案C 解析原子核越重，原子间库仑斥力就越大，而中
13、子数多于质子数，因中子与其他核子间没有库仑 斥力，但有相互吸引的核力，所以才有助于维系原子核的稳定，故稳定的重原子核里，中子数要比 质子数多故正确答案为C. 对结合能与比结合能的理解 2(2014 北京卷 ) 质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3. 当一个质子和一个中子结合成氘核 时，释放的能量是(c表示真空中的光速)( ) A(m1m2m3)c B (m1m2m3)c C(m1m2m3)c 2 D ( m1m2m3)c 2 答案C 解析根据质能方程，E mc 2，其中 mm1m2m3，则 E(m1m2m3)c 2，C正确， A、B、D 6 错误 质量亏损和核能的计算 3为纪念爱因斯坦
14、对物理学的巨大贡献，联合国将2005 年定为“国际物理年”对于爱因斯坦提 出的质能方程Emc 2，下列说法中不正确的是 ( ) AEmc 2 表明物体具有的能量与其质量成正比 B根据 Emc 2 可以计算核反应中释放的核能 C一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损 DEmc 2 中的E是发生核反应中释放的核能 答案D 解析爱因斯坦质能方程Emc 2，定量地指出了物体能量和质量之间的关系， A 正确；由质能方程 知，当物体的质量减少时，物体的能量降低，向外释放了能量；反之，若物体的质量增加了，则物 体的能量升高，表明它从外界吸收了能量，所以由物体的质量变化能算出物
15、体的能量变化，故B、C 正确， D错误 4一个锂核 ( 7 3Li) 受到一个质子的轰击，变成两个粒子已知质子的质量是1.673 6 10 27 kg ， 锂核的质量是11.650 5 10 27 kg ，氦核的质量是 6.646 6 10 27 kg. (1) 写出上述核反应的方程； (2) 计算上述核反应释放出的能量( 保留 3 位有效数字 ) 答案(1) 7 3 Li 1 1H2 4 2He (2)2.78 10 12 J 解析(1) 7 3 Li 1 1H2 4 2He (2) 核反应的质量亏损 mmLimp2m(11.650 510 271.673 6 102726.646 6 10
16、27) kg 3.0910 29 kg 释放的能量 Emc 23.091029(3108)2 J 2.781012 J ( 时间： 60 分钟 ) 题组一对核力及结合能的理解 7 1下列关于核力的说法正确的是( ) A核力同万有引力没有区别，都是物体间的作用 B核力就是电磁力 C核力是短程力，作用范围在1.5 10 15 m 之内 D核力与电荷有关 答案C 解析核力是短程力，超过1.5 10 15 m，核力急剧下降几乎消失，故 C 对；核力与万有引力、电 磁力不同，故A、B不对；核力与电荷无关0，故 D错 2(2013新课标全国卷 ) 关于原子核的结合能，下列说法正确的是( ) A原子核的结合
17、能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量 B一重原子核衰变成粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能 C铯原子核 ( 133 55Cs)的结合能小于铅原子核( 208 82Pb)的结合能 D比结合能越大，原子核越不稳定 E自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能 答案ABC 解析结合能是把核子分开所需的最小能量，选项 A正确； 一重原子核衰变成粒子和另一原子核， 存在质量亏损，核子比结合能增大，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，选项B 正 确；核子数越多，结合能越大，选项C 正确；比结合能也叫平均结合能，比结合能越大，分开核子 所需的
18、能量越大，原子核越稳定，选项D 错误；自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量 等于该原子核的结合能，选项E错误 3对结合能、比结合能的认识，下列正确的是( ) A一切原子核均具有结合能 B自由核子结合为原子核时，可能吸收能量 C结合能越大的原子核越稳定 D比结合能越大的原子核越稳定 答案AD 解析由自由核子结合成原子核的过程中，核力做正功，释放出能量；反之，将原子核分开变为自 由核子时需要吸收相应的能量，该能量即为结合能，故A 正确、 B 错误；核子较多的原子核的结合 能大，但它的比结合能不一定大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性，故C错误、 D正确 8 4. 图 1952 如图 19
19、52 所示是描述原子核核子的平均质量m与原子序数Z的关系曲线， 由图可知下列说法正 确的是 ( ) A将原子核A分解为原子核B、C可能吸收能量 B将原子核D、E结合成原子核F可能吸收能量 C将原子核A分解为原子核B、F一定释放能量 D将原子核F、C结合成原子核B一定释放能量 答案C 解析因B、C核子平均质量小于A的核子平均质量，故A分解为B、C时，会出现质量亏损，故放 出核能，故A错，同理可得B、D错， C正确 题组二质量亏损和核能的计算 5对公式 Emc 2 的正确理解是 ( ) A如果物体的能量减少了E，它的质量也一定相应减少m B如果物体的质量增加了m，它的能量也一定相应增加mc 2 C
20、m是某原子核在衰变过程中增加的质量 D在把核子结合成原子核时，若放出的能量是E，则这些核子的质量和与组成原子核的质量之差 就是 m 答案ABD 解析一定质量对应于一定的能量，物体的能量减少了E，它的质量也一定相应减少m，即发生 质量亏损，所以选项A、 D正确；如果物体的质量增加了m，它的能量一定相应增加mc 2，所以选 项 B正确；某原子核在衰变时，一定发生质量亏损，所以选项C错误 6一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出光子，核反应方程是 1 1H 1 0n 2 1H，以下说法中 正确的是 ( ) A反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和 B反应前后的质量数不变，因而质量不变 9
21、 C光子的能量为mc 2， m为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度 D因存在质量亏损m，所以“物质不灭”的说法不正确 答案AC 解析核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应中 氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，所以质量不守恒，但质量数不变，且能量守恒， 释放的能量会以光子的形式向外释放，故正确答案为A、 C. 7原子质量单位为u，1 u 相当于 931.5 MeV 的能量，真空中光速为c，当质量分别为m1和m2的原 子核结合为质量为M的原子核时释放出的能量是( ) A(Mm1m2)uc 2 B ( m1m2M)u931.5 J C(m1m2
22、M)c 2 D ( m1m2M) 931.5 eV 答案C 解析在核能计算时，如果质量的单位是kg，则用 Emc 2 进行计算，如果质量的单位是u，则 利用 1 u 相当于 931.5 MeV的能量计算，即Em931.5 MeV进行计算，故C正确， A、B、D错 8 中子和质子结合成氘核时，质量亏损为 m，相应的能量 Emc 22.2 MeV是氘核的结合能 下 列说法正确的是( ) A用能量小于2.2 MeV 的光子照射静止氘核时，氘核不能分解为一个质子和一个中子 B用能量小于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能 之和为零 C用能量大于2.2 MeV
23、的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能 之和为零 D用能量大于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能 之和不为零 答案AD 解析用能量小于结合能的光子照射氘核时，氘核一定不能分解，所以A 正确、 B 错误；用能量大 于结合能的光子照射氘核时，氘核可能分解， 只要分解，分解出的质子和中子动能之和一定不为零( 若 动能之和为零就分不开了) ，所以 C错误、 D正确 9氘核和氚核聚变时的核反应方程为 2 1H 3 1H 4 2He 1 0n，已知 3 1H的平均结合能是2.78 MeV ， 2 1H的平均 结合能是1.09 MeV
24、 ， 4 2He的平均结合能是7.03 MeV，则核反应时释放的能量为_MeV. 答案17.6 解析聚变反应前氘核和氚核的总结合能 10 E1(1.09 22.783) MeV10.52 MeV. 反应后生成的氦核的结合能 E27.034 MeV 28.12 MeV. 由于单个核子无结合能，所以聚变过程释放出的能量为 EE2E1(28.12 10.52) MeV 17.6 MeV. 题组三综合应用 10历史上第一次利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为0.5 MeV 的质子 1 1H 轰击静止的 A EX， 生成两个动能均为8.9 MeV 的 4 2He.(1 MeV 1.6 10 13 J
25、) (1)上述核反应方程为 _ (2) 质量亏损为 _kg. 答案(1) 1 1H 7 3X 4 2He 4 2He(或 1 1H 7 3Li 4 2He 4 2He) (2)3.1 10 29 解析(1) 根据电荷数和质量数守恒可写出核反应方程为 1 1H 7 3X 4 2He 4 2He或 1 1H 7 3Li 4 2He 4 2He. (2) 设反应前质子的动能为Ek0，反应后 4 2He的动能为Ek，由于质量亏损而释放的能量为 E2EkEk0(2 8.9 0.5) MeV 17.3 MeV， 根据爱因斯坦质能方程，有 m E c 217.3 1.6 10 13 （3.0 10 8）2
26、kg 3.1 10 29 kg. 11两个中子和两个质子结合成一个氦核，同时释放一定的核能，中子的质量为1.008 7 u，质子 的质量为1.007 3 u，氦核的质量为4.002 6 u，试计算中子和质子生成1 kg 的氦时，要释放出多 少核能？ 答案6.5910 14 J 解析先计算生成一个氦核释放的能量，再根据1 kg 氦核的个数即可求出释放的总的核能核反应 方程 2 1 1H2 1 0n 4 2He 生成一个氦核过程的质量亏损 m(1.008 7 u1.007 3 u) 2 4.002 6 u0.029 4 u， 释放的核能 E0.029 4 931.5 MeV 27.386 MeV
27、生成 1 kg 氦核释放的能量EnE， 11 E1 000 4 6.02 10 2327.386 1061.6 1019 J 6.591014 J. 12一个静止的铀核 232 92U(原子质量为232.037 2 u)放出一个 粒子 ( 原子质量为4.002 6 u)后衰变 成钍核 228 90Th(原子质量为228.028 7 u)( 已知原子质量单位1 u1.6710 27 kg，1 u 相当于 931.5 MeV的能量 ) (1) 写出铀核的衰变反应方程； (2) 算出该衰变反应中释放出的核能； (3) 若释放的核能全部转化为新核的动能，则粒子的动能为多少？ 答案(1) 232 92U 228 90Th 4 2He (2)5.50 MeV (3)5.41 MeV 解析(1) 232 92U 228 90Th 4 2He (2) 质量亏损 mmUmmTh0.005 9 u Emc 20.005 9 931.5 MeV 5.50 MeV (3) 系统动量守恒，钍核和 粒子的动量大小相等， 即pTh( p) 0，pThp EkTh p 2 Th 2mTh， Ek p 2 2m， EkThEkE 所以 粒子获得的动能 Ek mTh mmTh E 228 42285.5 MeV 5.41 MeV