2019-2020学年高中物理第四章原子核第四节核力与结合能学案粤教版3-5

学必求其心得，业必贵于专精第四节核力与结合能1。知道核力及其性质．2.认识原子核的结合能及质量损失，并能应用质能方程进行计算．3．认识轻核和重核内中子数、质子数拥有不同样比率的原因．一、核力及其性质1．核力：组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，使核子能够战胜库仑斥力而亲近地结合在一起，这种力称为核力．2．核力的性质:核力是一种很强的力，在约－150。5×10m～2×10－15m的距离内主要表现为引力，在大于2×10－15m的距离时核力就迅速减小为零，因此核力是一种短程力．在小于－150.5×10m的距离内，核力又转变成富强的斥力而使核子不交融在一起．1．（1）核力是强相互作用,在任何情况下都比库仑力大．（)(2）原子核内的质子是靠万有引力来抗衡库仑斥力的．( )(3)弱相互作用是引起β衰变的原因．（)提示：（1)×（2)×(3)√二、重核与轻核1．原子核中的质子数又称为原子序数．2．重核：排在周期表中比较靠后的元素对应的原子核叫重核．3．轻核:排在周期表中比较靠前的元素对应的原子核叫轻核．三、结合能1．结合能：由于核子间存在着富强的核力，要把原子核打开1学必求其心得，业必贵于专精成核子，需要战胜核力做功，也就是需要供给必然的能量．反过来，核子结合成原子核时也会放出必然的能量,这个能量叫做原子核的结合能．2．爱因斯坦质能方程：核子结合成原子核时，反响前后存在质量损失，损失的质量与反响中释放的能量相对应，它们之间的关系依照爱因斯坦的质能方程．即E＝mc2,E为反响中释放的能量,即结合能，m为质量损失．3．平均结合能：原子核的结合能与核子数之比称为该原子核的平均结合能，平均结合能越大，核越牢固．2．（1）组成原子核的核子越多，它的结合能就越大．( )(2）结合能越大，核子结合得越牢固，原子越牢固．（)3）比结合能越大的原子核越牢固,因此它的结合能也必然越大．（）提示：(1)√（2）×（3)×春结合能的理解1．核反响陪同能量的变化由于核子间存在着巨大的核力作用，因此原子核是一个牢固的集体．要把原子核打开成核子,需要战胜核力做巨大的功,需要巨大的能量．一个氘核被拆成一此中子和一个质子时，需要能量等于或2大于2.2MeV的γ光子照射．核反响方程为γ＋，1H→错误!H＋错误!n.相反的过程，当一此中子和一个质子结合成一个氘核时会释放出2。2学必求其心得，业必贵于专精2MeV的能量．这个能量以γ光子的形式辐射出去．核反响方程为11H＋错误!n→错误!H＋γ。2．结合能和平均结合能(1）结合能:由于核力的存在，核子结合成原子核时要放出必然的能量，原子核分解成核子时，要吸取同样多的能量．核反响中放出或吸取的能量称为原子核的结合能．(2)平均结合能:原子核的结合能与核子数之比．平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越牢固．3．平均结合能曲线：不同样原子核的平均结合能随质量数变化图线以下列图．从图中可看出,中等质量原子核的平均结合能最大，轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核要小．平均结合能比结合能更有意义，它反响了原子核结合的牢固程度或分裂的难易程度．(多项选择）关于原子核的结合能与平均结合能，以下说法中正确的是（)A．原子核的结合能等于核子与核子之间结合成原子核时,核力做的功B．原子核的结合能等于核子从原子核中分别，外力战胜核力做的功3学必求其心得，业必贵于专精C．平均结合能是核子与核子结合成原子核时平均每个核子放出的能量D．不同样原子核的平均结合能不同样，重核的平均结合能比轻核的平均结合能大［剖析]原子核中,核子与核子之间存在核力，要将核子从原子核中分别,需要外力战胜核力做功．当自由核子结合成原子核时，核力将做功，释放能量．对某种原子核，平均每个核子的结合能称为平均结合能．不同样原子核的平均结合能不同样．重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能要小，轻核的平均结合能比稍重的核的平均结合能要小．［答案]ABC(多项选择)关于原子核的结合能，以下说法正确的选项是(）A．原子核的结合能等于使其完好分解成自由核子所需的最小能量B．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和必然大于原来重核的结合能C．铯原子核(错误!Cs）的结合能小于铅原子核（错误!Pb）的结合能D．平均结合能越大，原子核越不牢固剖析：选ABC。原子核分解成自由核子时，需要的最小能量就是原子核的结合能，选项A正确；重核衰变时释放能量，衰变产物更牢固，即衰变产物的平均结合能更大，衰变前后核子数不变，所4学必求其心得，业必贵于专精以衰变产物的结合能之和必然大于原来重核的结合能，选项B正确；铯核的核子数比铅核的核子数少，其结合能也小,选项C正确；平均结合能越大，原子核越牢固,选项D错误．对质能方程的理解1．质量损失：所谓质量损失，其实不是质量消失,减少的质量在核子结合成原子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，增加的能量要由外面供给．总之，物体的能量和质量之间存在着亲近的联系，它们之间的关系就是E＝mc2。2．质能方程E＝mc2(1）质能方程说明，必然的质量总是跟必然的能量相联系．具体地说，必然质量的物体所拥有的总能量是必然的，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,而是物体所拥有的各种能量的总和．2)依照质能方程，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E＝mc2。3)质能方程的实质①质量或能量是物质的属性之一，绝不可以够把物质和它们的某一属性（质量和能量）等同起来；②质能方程揭穿了质量和能量的不可以切割性，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绝不等于这两个量能够相互转变；5学必求其心得，业必贵于专精③质量损失不可以否定了质量守恒定律．依照爱因斯坦的相对论，辐射出的γ光子静质量诚然为零，但它有动质量，而且这个动质量恰巧等于损失的质量，因此质量守恒、能量守恒仍建立．以下说法中，正确的选项是（）A．爱因斯坦质能方程反响了物体的质量就是能量,它们之间可以相互转变B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，能够用物体质量作为它所储蓄的能量的量度C．核反响中发现的“质量损失”是消失的质量转变成能量D．由于在核反响中能产生能量，有质量的转变，因此系统只有质量数守恒,系统的总能量和总质量其实不守恒[剖析］E＝mc2说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系,但其实不说明能量和质量之间存在相互转变的关系，故A错误,B正确；核反响中的“质量损失"其实不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，其实不是质量转变成能量，故C错误；在核反响中，质量守恒，能量也守恒，在核反响前后可是能量的存在方式不同样，总能量不变，在核反响前后可是物质由静质量变成动质量，故D错误．[答案]B质能方程反响了质量与能量的对应关系，物体的能量跟其质量成正比,即必然的能量必然对应着必然的质量,质量不可以够转变成能量．6学必求其心得，业必贵于专精核能的计算方法1．依照质量损失计算(1)依照核反响方程:计算核反响前和核反响后的质量损失m.（2）依照爱因斯坦质能方程E＝mc2或E＝mc2计算核能．2．利用原子质量单位u和电子伏特间的关系计算(1）明确原子质量单位u和电子伏特间的关系:由于1u＝1。6606－27×10kg2－27×(2.997982则E＝mc＝1。6606×10×）10J1。4924×10－10J。－19又1eV＝1.6022×10J则E＝1.4924×10－10J＝931。5MeV.(2）依照（1）原子质量单位（u)相当于931.5MeV能量,用核子结合成原子核时质量损失的原子质量单位数乘以931。5MeV,即Em×931.5MeV。3．利用比结合能来计算核能原子核的结合能＝核子的比结合能×核子数．核反响中反响前系统内全部原子核的总结合能与反响后生成的全部新核的总结合能之差，就是该次核反响所释放（或吸取）的核能．错误!H的质量是3.016050u，质子的质量是1.007277u，中子的质量是1.008665u．求:(质量损失1u相当于释放931.5MeV的能量）1）一个质子和两此中子结合为氚核时，是吸取还是放出能量？该能量为多少？7学必求其心得，业必贵于专精(2)氚核的结合能和比结合能各是多少?［剖析]（1)一个质子和两此中子结合成氚核的反响方程式是错误!H＋2错误!n→错误!H，反响前各核子总质量为mp＋2mn＝(1.007277＋2×1.008665)u＝3.024607u，反响后新核的质量为mH＝3.016050u，质量损失为m＝(3.016050－3.024607）u＝－0.008557u。因反响前的总质量大于反响后的总质量，故此核反响放出能量．释放的核能为E＝0.008557×9315MeV。≈7。97MeV.（2）氚核的结合能即为E＝7。97MeV，E它的比结合能为3≈2。66MeV。[答案]（1)放出能量，能量为7。97MeV(2)7.97MeV2。66MeV错误!（1)计算过程中m的单位是kg，E的单位是J.(2）若m的单位是u，E的单位是MeV，可直接利用公式E＝m×931。5MeV来计算核能．[随堂检测］1．氦原子核由两个质子与两此中子组成，这两个质子之间存8学必求其心得，业必贵于专精在着万有引力、库仑力和核力，则三种力从大到小的序次是(）A．核力、万有引力、库仑力B．万有引力、库仑力、核力C．库仑力、核力、万有引力D．核力、库仑力、万有引力剖析:选D。核力是核子之间的一种强相互作用，其相互作用力巨大，远高出两个质子之间的库仑力，两质子之间的万有引力远小于库仑力，应选项D正确．2．核子结合成原子核或原子核分解为核子时,都陪同着巨大的能量变化，这是由于( )A．原子核带正电，电子带负电，电荷间存在很大的库仑力B．核子拥有质量且相距很近，存在很大的万有引力C．核子间存在着富强的核力D．核子间存在着复杂磁力剖析：选C.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,就要战胜核力作用,故陪同着巨大的能量变化，故选C。3．依照爱因斯坦的研究成就，物体的能量和质量的关系是E＝mc2，这一关系叫爱因斯坦质能方程．质子的质量为mp，中子的质量为mn，氦核的质量为mα，以下关系式正确的选项是(）A．mα＝（2mp＋2mn）B．mα<（2mp＋2mn)C．mα〉（2mp＋2mn）D．以上关系式都不正确剖析：选B.核子结合成核时要放出能量，故正确选项为B。9学必求其心得，业必贵于专精4．以下列图是描述原子核核子的平均质量错误!与原子序数Z的关系曲线，由图可知以下说法正确的选项是（）A．将原子核A分解为原子核B、C可能吸取能量B．将原子核D、E结合成原子核F可能吸取能量C．将原子核A分解为原子核B、F必然释放能量D．将原子核F、C结合成原子核B必然释放能量剖析:选C.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，出现质量损失,故放出核能，故A错误，同理可得B、D错误,C正确．5．已知氮核质量mN＝14。00753u，氧核质量mO＝17.00454u,氦核质量mHe＝4。00387u，质子质量mH＝1。00815u，试判断核反响：错误!N＋错误!He→错误!O＋错误!H是吸能反响,还是放能反响?能量变化多少?剖析：反响前总质量mN＋mHe＝18。01140u反响后总质量mO＋mH＝18。01269u由于反响中质量增加，因此此反响为吸能反响，所吸能量为Emc2＝[(mO＋mH)－(mN＋mHe)]c2＝(18。01269－18.01140）×931.5MeV≈1。2MeV.答案:吸能反响能量变化量为1。2MeV［课时作业］10学必求其心得，业必贵于专精一、单项选择题1．原子核的平均结合能与质量数的关系以下列图，核子组合成原子核时(）A．小质量数的原子核质量损失最大B．中等质量数的原子核质量损失最大C．大质量数的原子核质量损失最大D．不同样质量数的原子核质量损失同样剖析：选B.平均结合能越大，原子核越牢固,从图中能够看出,中等质量的原子核平均结合能最大，两个较轻的核子结合成一个新核时，就会释放出巨大的能量，因此中等质量数的原子核质量损失最大，选项B正确．2．在以下判断中，正确的选项是( )A．组成错误!U核的核子中任何两个核子之间都存在不可以忽略的核力作用B．组成错误!U核的中子中任何两此中子之间都存在不可以忽略的核力作用C．组成错误!U核的质子中任何两个质子之间都存在不可以忽略的库仑斥力作用D．组成错误!U核的质子中任何两个质子之间都存在不可以忽略的核力作用11学必求其心得，业必贵于专精剖析:选C。核力属于短程力，由于组成23892U核的核子很多,两核子之间的距离可能高出核力的作用范围,因此某些核子之间的作用力可能比较小，因此选项A、B、D错误,但任意两质子之间都存在库仑斥力的作用，因此选项C正确．3．质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3，真空中光速为c，当质子和中子结合成氘核时，放出的能量是（)A．m3c2B．（m1＋m2)c2C．(m3－m2－m1)c2D．(m1＋m2－m3）c2剖析：选D。质子和中子结合成原子核氘核时，总质量减小了，即质量损失m＝m1＋m2－m3.依照质能方程可知,放出的能量为Emc2＝(m1＋m2－m3）c2.4．当两此中子和两个质子结合成一个α粒子时，放出28.30MeV的能量，当三个α粒子结合成一个碳核时，放出7.26MeV的能量，则当6此中子和6个质子结合成一个碳核时,释放的能量为( )A．21.04MeVB．35.56MeVC．77。64MeVD．92.16MeV剖析:选D.6此中子和6个质子可结合成3个α粒子,放出能量3×28.30MeV＝84。9MeV,3个α粒子再结合成一个碳核，放出7。26MeV能量,故6此中子和6个质子结合成一个碳核时,释放能量为84。9MeV＋7.26MeV＝92.16MeV。5．当一此中子和一个质子结合成氘核时,产生γ光子辐射，对这一实验事实，以下说法正确的选项是( )A．核子结合成原子核时，要放出必然的能量12学必求其心得，业必贵于专精B．原子核分裂成核子时,要放出必然的能量C．光子的质量为零，氘核的质量等于中子与质子的质量之和D．光子拥有必然的能量,氘核的质量大于中子与质子的质量之和剖析：选A。核子结合时质量减少，释放能量；原子核分裂时吸取能量．必然能量对应着必然质量．6．一个负电子（质量为m、电荷量为－e）和一个正电子(质量为m、电荷量为e），以相等的初动能Ek相向运动,并撞到一起发生“湮灭”，产生两个频率同样的光子,设产生光子的频率为ν.若这两个光子的能量都为hν,动量分别为p和p′,下面关系正确的选项是(）A．hν＝mc2，p＝p′B．hν＝mc2，p＝－p′C．hν＝mc2＋Ek,p＝－p′D．hν＝2（mc2＋Ek)，p＝－p′剖析：选C。依照能量守恒,两电子的动能和释放的核能完好转化为两光子的能量，则有2hν＝2mc2＋2Ek，可得hν＝mc2＋Ek；又由动量守恒得0＝p＋p′。二、多项选择题7．对原子核的组成，以下说法正确的选项是（）A．核力可使一些中子组成原子核B．核力可使特别多的质子组成原子核C．存在只有质子的原子核D．质量较大的原子核内必然有中子13学必求其心得，业必贵于专精剖析：选CD.由于原子核带正电,不存在只有中子的原子核，但核力也不可以够把特别多的质子集聚在一起组成原子核，原因是核力是短程力，质子之间还存在“长程力”库仑力，A、B错误；自然界中存在一个质子的原子核，错误!H，C正确；较大质量的原子核内只有存在一些中子，才能削弱库仑力,维系原子核的牢固，故D正确．8．关于原子核中质子和中子的说法，错误的选项是（)A．原子核中质子数和中子数必然相等B．牢固的重原子核里，质子数比中子数多C．原子核都是特别牢固的D．由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若是不断地增大原子核，形成的核也必然是不牢固的剖析：选ABC。自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大体相等，但关于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多，故D项正确．9．在某些恒星内，3个α粒子结合成1个错误!C核，错误!C原子的质量是12。0000u，错误!He原子的质量是4。0026u，已知1u＝1。66×10－27kg.则( )A．反响过程中的质量损失是0.078u－29B．反响过程中的质量损失是1。29×10kgC．反响过程中释放的能量是7。27MeV－19D．反响过程中释放的能量是1.16×10J剖析：选BC。由题意可得核反响方程为342He→126C＋E.则核反响中的质量损失为m＝(3×4.0026－12.0000）u＝0。00714学必求其心得，业必贵于专精－27－29kg，由质能方程得28×1.66×10kg≈1。29×10E＝mc＝1。－2982－12J．由于质量损失1u相当于29×10×(3×10）J＝1。161×10释放931。5MeV的能量,因此E＝0。0078×931.5MeV≈7。27MeV.故B、C正确．10．中子和质子结合成氘核时，质量损失为m,相应的能量E＝mc2＝2.2MeV是氘核的结合能．以下说法正确的选项是（)A．用能量小于2。2MeV的光子照射静止氘核时，氘核不可以够分解为一个质子和一此中子B．用能量等于2.2MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一此中子，它们的动能之和为零C．用能量大于2.2MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一此中子,它们的动能之和为零D．用能量大于2.2MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一此中子,它们的动能之和不为零剖析：选AD。氘核分解为一个质子和一此中子时，所需吸取的能量不可以够小于其结合能2。2MeV,故A对；光子照射氘核时，光子和氘核组成的系统总动量不为零，由动量守恒定律得,光子被氘核吸取后，分解成的质子和中子的总动量不为零,故总动能也不为零，因此把氘核分解为质子和中子所需的能量应大于2。2MeV，故D对，B、C错．三、非选择题11．历史上第一次利用加速器实现的核反