（新课标）2018-2019学年高考物理 主题三 原子与原子核 3.3 原子核 3.3.5 核力与结合能学案 新人教版选修3-5.doc

3.3.5核力与结合能学习目标核心提炼1.了解四种基本相互作用，知道核力的性质。2.认识原子核的结合能及质量亏损，并能应用质能方程进行计算。3.能简单解释轻核和重核内分子数、质量数具有不同比例的原因。3个概念核力结合能质量亏损1个方程Emc2一、核力与四种基本相互作用1.核力：原子核内核子之间的相互作用力。2.核力的特点(1)核力是强相互作用的一种表现，在原子核内，核力比库仑力大得多。(2)核力是短程力，作用范围在1.51015_m之内。在大于0.81015 m小于1.51015 m的范围内表现为吸引力，在小于0.81015 m时表现为斥力。(3)核力的饱和性：每个核子只跟邻近的核子发生核力作用。3.四种基本相互作用思考判断(1)原子核中的质子是靠自身的万有引力聚在一起的。()(2)核力是强相互作用力，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多。()(3)弱相互作用的力程比强力更短。()答案(1)(2)(3)二、原子核中质子与中子的比例1.自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等。2.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。思考判断(1)在原子核的组成中，质子数等于中子数。()(2)原子核大到一定程度，原子核就不稳定了。()(3)在宇宙演化过程中，只有稳定的原子核长久地留了下来。()答案(1)(2)(3)三、结合能和质量亏损1.结合能和比结合能(1)结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开也需要能量，这就是原子核的结合能。(2)比结合能(平均结合能)：原子核的结合能与核子数之比称为比结合能。比结合能越大，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。2.质量亏损(1)爱因斯坦质能方程Emc2。(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)核子在结合成原子核时出现的质量亏损m，与它们在互相结合过程中放出的能量E的关系是Emc2。3.比结合能应用前景(1)中等大小的核的比结合能最大，这些核最稳定。(2)使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等大小的核，都将释放新的结合能。思考判断(1)组成原子核的核子越多，它的结合能就越高。()(2)结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定。()(3)质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。()答案(1)(2)(3)根据核力的性质解释原子核的稳定性要点归纳1.核力的性质(1)核力是四种相互作用中的强相互作用(强力)的一种表现。(2)核力是短程力。约在1015 m数量级时起作用，距离大于0.81015 m时为引力，距离小于0.81015 m时为斥力。距离为101015 m时核力几乎消失。(3)核力具有饱和性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。(4)核力具有电荷无关性。核力与核子电荷无关。2.原子核中质子与中子的比例关系(1)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，越重的原子核，两者相差越多。(2)形成原因若质子与中子成对地人工构建原子核，随原子核的增大，核子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快。所以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。若只增加中子，因为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。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，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。精典示例例1 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1.51015 m之内D.核力与电荷有关解析核力是短程力，超过1.51015 m。核力急剧下降几乎消失，故选项C正确；核力与万有引力、电磁力不同，故选项A、B错误；核力与电荷无关。故选项D错误。答案C针对训练1 关于质子和中子的说法，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。答案D对结合能的理解要点归纳1.中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小。2.比结合能与原子核稳定的关系(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定。(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定。(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就能释放核能。例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。精典示例例2 下列关于结合能和比结合能的说法正确的是()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，选项A错误；比结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，其结合能比重核小，选项B、C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，选项D正确。答案D (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2 (多选)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它需要赋予相应的能量，该能量即为结合能，故选项A正确，B错误；对核子较多的原子核的结合能越大，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，故选项C错误，D正确。答案AD质量亏损与核能计算要点归纳1.质量亏损的理解所谓质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了。反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给。总之，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们之间的关系就是Emc2。2.质能方程Emc2的理解(1)质能方程说明，一定的质量总是跟一定的能量相联系的。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，等于光速的平方与其质量之积，这里所说的总能量，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。(2)根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比。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Emc2。(3)质能方程的本质质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，方程建立了这两个属性在数值上的关系，这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒，质量和能量在数值上的联系决不等于这两个量可以相互转化。质量亏损不是否定了质量守恒定律。根据爱因斯坦的相对论，辐射出的光子静质量虽然为零，但它有动质量，而且这个动质量刚好等于亏损的质量，所以质量守恒、能量守恒仍成立。精典示例例3 (多选)关于质能方程，下列说法正确的是()A.质量减少，能量就会增加，在一定条件下质量转化为能量B.物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加一定值C.物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系D.某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的解析质能方程Emc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的，当物体获得一定的能量，即能量增加某一定值时，它的质量也相应增加一定值，并可根据Emc2进行计算，所以选项B、D正确。答案BD质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，方程建立了这两个属性在数值上的关系，这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒，质量和能量在数值上的联系决不等于这两个量可以相互转化。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：NHeOH这一核反应是吸收能量还是放出能量？能量变化是多少？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Emc2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 MeV1.2 MeV。答案吸收能量1.2 MeV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Emc2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。 1.下列对核力的认识，正确的是()A.核力是强相互作用的一种表现，比库仑力大得多B.核力存在于质子和中子、中子和中子之间，质子和质子之间只有库仑斥力C.核力是核子间相互吸引的力，是短程力D.核力只存在于相邻的核子之间，具有饱和性解析在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多，但当原子核大到一定程度时，核力将不足以平衡库仑力，选项A错误；相邻核子间都存在核力作用，具有饱和性，选项B错误，D正确；核子间的距离小于0.81015 m时核力表现为斥力，大于0.81015 m时表现为吸引力，选项C错误。答案D2.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.无法确定解析原子核越重，原子间库仑斥力就越大，而中子数多于质子数，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。答案C3.(多选)关于原子核的结合能，下列说法正确的是()A.原子核的结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(55Cs)的结合能小于铅原子核(82Pb)的结合能D.比结合能越大，原子核越不稳定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，分开核子所需的能量越大，原子核越稳定，选项D错误。答案ABC4.(多选)为纪念爱因斯坦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Emc2，下列说法正确的是()A.Emc2定量地指出了物体具有的能量与其质量之间的关系B.根据Emc2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D.Emc2中的E是发生核反应中释放的核能解析爱因斯坦质能方程Emc2定量地指出了物体具有的能量与其质量之间的关系，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体的能量变化，故B、C正确，D错误。答案ABC5.在铀核裂变成钡和氪的裂变反应中，质量亏损m0.215 3 u，那么，一个铀核裂变释放的能量为多少？反应中平均每个核子释放的能量为多少？解析由爱因斯坦质能方程，可求得铀核裂变时释放的能量Emc20.215 3931.25 MeV200 MeV。铀核中含有235个核子，所以平均每个核子放出的能量0.85 MeV。答案200 MeV0.85 MeV1.下列对核力的认识正确的是()A.任何物体之间均存在核力B.核力广泛存在于自然界中的核子之间C.核力只存在于质子之间D.核力只发生在相距1.51015 m内的核子之间，大于0.81015 m为吸引力，而小于0.81015 m为斥力解析由核力的特点知道，只有相距1.51015 m内的核子之间才存在核力，核力发生在质子与质子、质子与中子及中子与中子之间，由此知选项D正确，A、B、C错误。答案D2.核子结合成原子核或原子核分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化，这是因为()A.原子核带正电，电子带负电，电荷间存在很大的库仑力B.核子具有质量且相距很近，存在很大的万有引力C.核子间存在着强大的核力D.核子间存在着复杂磁力解析核子之间存在核力作用，核子结合成原子核或原子核分解为核子时，都有核力作用，故伴随着巨大的能量变化，故选项C正确。答案C3.某核反应方程为HHHeX。已知H的质量为2.013 6 u，H的质量为3.018 0 u，He的质量为4.002 6 u，X的质量为1.008 7 u。则下列说法正确的是()A.X是质子，该反应释放能量B.X是中子，该反应释放能量C.X是质子，该反应吸收能量D.X是中子，该反应吸收能量解析根据核反应过程质量数、电荷数守恒，可得HHHeX，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 u1.008 7 u5.011 3 u。总质量减少，出现了质量亏损，故该反应释放能量。答案B4.当两个中子和两个质子结合成一个粒子时，放出28.30 MeV 的能量，当三个粒子结合成一个碳核时，放出7.26 MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量为()A.21.04 MeV B.35.56 MeVC.92.16 MeV D.77.64 MeV解析设中子的质量为mn，质子的质量为mp，粒子的质量为m，碳原子核的质量为mC。根据质能方程：E128.30 MeV2(mnmp)mc2E27.26 MeV3mmCc2E36mn6mpmCc2由以上各式得E392.16 MeV。答案C5.如图1所示是描述原子核核子的平均质量与原子序数Z的关系曲线，由图可知下列说法正确的是()图1A.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，故选项A错，同理可得选项B、D错误，C正确。答案C6.中子n、质子p、氘核D的质量分别为mn、mp、mD。现用光子能量为E的射线照射静止的氘核使之分解，核反应方程为Dpn，若分解后中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是()A.(mDmpmn)c2EB.(mDmnmp)c2EC.(mDmpmn)c2ED.(mDmnmp)c2E解析因为轻核聚变时放出能量，质量亏损，所以氘核分解为核子时，要吸收能量，质量增加，本题核反应过程中射线能量E对应质量的增加和中子与质子动能的产生，即Emc22Ek(mpmnmD)c22Ek得EkE(mpmnmD)c2(mDmpmn)c2E，故选项C正确。答案C7.(多选)一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出光子，核反应力程是HnH，以下说法正确的是()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C.光子的能量为mc2，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，反应后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。答案AC8.(多选)中子和质子结合成氘核时，质量亏损为m，相应的能量Emc22.2 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，所以选项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)，所以选项C错误，D正确。答案AD9.一个氘核H质量为m1，一个氚核H质量为m2，它们结合成一个质量为m3的氦核。核反应方程如下：HHHeX。在这一核反应过程中释放的能量为E。已知光速为c，则以下判断正确的是()A.X是质子B.X是正电子C.X的质量为m1m2m3D.X的质量为m1m2m3解析由电荷数守恒知，X的质子数为0，由质量数守恒知，X的质量数为1，故X为中子，设X的质量为m，反应中的质量亏损mm1m2m3m，释放的核能Emc2(m1m2m3m)c2，则X的质量为m1m2m3，故选项D正确。答案D10.雷蒙德戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(e)而获得了2002年度诺贝尔物理学奖，他探测电子中微子所用的探测器的主体是一个贮满615 t四氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶，电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为eClAre，已知Cl核的质量为36.956 58 u，Ar核的质量为36.956 91 u，e的质量为0.000 55 u，1 u质量对应的能量为931.5 MeV。根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为()A.1.33 MeV B.0.82 MeVC.0.51 MeV D.0.31 MeV解析根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，则Em931.5 MeV(36.956 910.000 5536.956 58)931.5 MeV0.82 MeV。答案B11.氘核和氚核聚变时的核反应方程为HHHen，已知H的平均结合能是2.78 MeV，H的平均结合能是1.09 MeV，He的平均结合能是7.03 MeV，则核反应时释放的能量为多少MeV?解析聚变反应前氘核和氚核的总结合能E1(1.0922.783) MeV10.52 MeV。反应后生成的氦核的结合能E27.034 MeV28.12 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(28.1210.52) MeV17.6 MeV。答案17.612.运动的原子核X放出粒子后变成静止的原子核Y。已知X、Y和粒子的质量分别是M、m1和m2，真空中的光速为c，粒子的速度远小于光速。求反应后与反应前的总动能之差以及粒子的动能。解析由于反应过程存在质量亏损，所以反应前、后总动能之差等于质量亏损而释放的核能，则根据爱因斯坦质能方程得Ekm2vMv(Mm1m2)c2；反应过程中三个粒子组成的系统动量守恒，则有MvXm2v联立解得粒子的动能m2v(Mm1m2)c2。答案(Mm1m2)c2(Mm1m2)c213.H的质量是3.016 050 u，质子的质量是1.007 277 u，中子的质量是1.008 665 u。1 u相当于931.5 MeV的能量，求：(计算结果保留三位有效数字)(1)一个质子和两个中子结合为氚核时，是吸收还是放出能量？该能量为多少？(2)氚核的结合能和比结合能各是多少？(3)如果此能量是以光子形式放出的，则光子的频率是多少？解析(1)一个质子和两个中子结合成氚核的核反应方程是H2nH，反应前各核子总质量为mp2mn1.007 277 u21.008 665 u3.024 607 u，反应后新核的质量为mH3.016 050 u，质量亏损为m3.024 607 u3.016 050 u0.008 557 u因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应释放能量。释放的核能为E0.008 557931.5 MeV7.97 MeV。(2)氚核的结合能即为E7.97 MeV。它的比结合能为2.66 MeV。(3)放出光子的频率为 Hz1.921021 Hz。答案(1)放出能量7.97 MeV(2)7.97 MeV2.66 MeV(3)1.921021Hz