第五章第3节核力与结合能（原卷版）

选择性必修三学案第五章原子核第3节核力与结合能一、新课标要求1.知道四种基本相互作用，了解核力的性质。2.认识原子核的结合能和比结合能。3.知道什么是质量亏损，能应用爱因斯坦质能方程进行计算。二、科学素养要求1.物理观念：知道四种基本相互作用与核力的特点，了解结合能、比结合能和质量亏损的基本观念和相关实验。2.科学思维：理解核力是短程力，掌握比结合能和质量亏损，能用质能方程进行计算，提高分析、解决问题的能力。3.科学探究：通过教材上的科学推理，掌握其实质，培养科学推理的能力。4.科学态度与责任：学习科学家们严谨的科学态度，培养探索科学的兴趣和责任。三、教材研习要点一、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①。这个能量也是核子结合成原子核而释放的能量。原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫作平均结合能。要点二、质量亏损原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫作质量亏损②。质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。【自主思考】①（1）原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量，这种说法对吗？（2）结合能越大的原子核越稳定吗？了原子核的稳定性。②用α粒子轰击铍(49Be四、名师点睛1.结合能的理解（1）组成原子核的核子越多，结合能越高。（2）结合能与核子数之比称作比结合能，比结合能越大，原子核越稳定。（3）结合能通常只用在原子核中。2.质量亏损的理解（1）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。（2）质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来。（3）Δm是核反应前与核反应后的质量之差。五、互动探究探究点一、核力知识深化1.四种基本相互作用的理解（1）引力相互作用：引力主要在宏观和宏观尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状。万有引力是长程力。（2）电磁相互作用：电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原子结合成分子，使分子结合成液体和固体，是长程力。（3）强相互作用：在原子核内，将核子束缚在一起，是短程力。（4）弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强相互作用更短，为10-182.核力的理解（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10-15m数量级时起作用，距离大于0.8×10-15m（3）核力具有饱和性。核子只跟相邻的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。题组过关1.（多选）对核力的认识，下列说法正确的是()A.任何核子之间均存在核力B.每个核子只跟邻近的核子发生核力作用C.核力只存在于质子之间D.核力只发生在相距为1.5×10-15m的核子之间，大于0.8×2.下列关于核力与核能的说法正确的是()A.核力是强相互作用的一种表现，任意两个核子之间都存在核力作用B.原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定C.核力是引起原子核β衰变的原因D.原子核中所有核子单独存在时的质量总和等于该原子核的总质量【教材拓展】原子核中质子与中子的比例关系如图是稳定核的质子数(Z)与中子数(N)的关系，不难看出：较轻的原子核的质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，其中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多。为什么有这样的现象呢？稳定核的质子数与中子数的关系若质子与中子成对地构建原子核，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，其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超过核力的作用范围，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。探究点二、结合能情境探究如图所示是不同原子核的比结合能随质量数变化的大致曲线。（1）从图中看出，中等质量的原子核与重核、轻核相比，比结合能有什么特点？比结合能的大小反映了什么？（2）比结合能较小的原子核转化为比结合能较大的原子核时是吸收能量还是释放能量？探究归纳1.结合能和比结合能的理解（1）结合能不是核子结合成原子核需要的能量，而是将原子核的核子拆开时需要的能量。（2）比结合能比结合能更有意义，它反映了原子核结合的稳定程度或分裂的难易程度。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。探究应用【典例】(多选)下列关于结合能和比结合能的说法中，正确的有()A.核子结合成原子核时放出能量B.原子核拆解成核子时要吸收能量C.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D.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【迁移应用】1.关于原子核的结合能，下列说法正确的是()A.原子核的比结合能等于将其完全分解成自由核子所需能量的最小值B.原子核衰变成α粒子和另一原子核，并释放出能量，衰变产物的结合能之和一定小于原来原子核的结合能C.铯原子核(55133CsD.比结合能越大，原子核越不稳定2.铁核的比结合能比铀核的比结合能大，下列关于它们的说法错误的是()A.铁核的结合能大于铀核的结合能B.铁核比铀核稳定C.铀核发生核变化变成铁核要放出能量D.铀核发生核变化变成铁核质量要亏损3.原子核A、B结合成放射性原子核C。核反应方程是A+B→C，已知原子核A、B、C的质量分别为mA、mB、mC，结合能分别为EAA.原子核A、B、C中比结合能最小的是原子核CB.原子核A、B结合成原子核C，释放的能量ΔE=(C.原子核A、B结合成原子核C，释放的能量ΔE=D.大量原子核C经历两个半衰期时，已发生衰变的原子核占原来的14.（2021吉林油田第十一中学高三月考）已知氘核的平均结合能为1.1 MeV，氦核的平均结合能为7.1 MeVA.释放出4.9 MeVB.吸收4.9 MeVC.吸收24.0 MeVD.释放出24.0 MeV探究点三、质量亏损和核能的计算情境探究如图所示是两个核子数很小的轻核氘、氚结合成一个核子数大一些的氦核，原子核转变示意图如图。（1）在核反应过程中质量数、电荷数是否守恒？（2）在该核反应过程中会释放出能量，反应前后原子核的质量是否会发生变化？答案：提示（1）在核反应中，质量数、电荷数是守恒的。（2）会发生变化，质量会减少。探究归纳1.质量亏损的理解（1）在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒，所谓的质量亏损并不是这部分质量消失或质量转变为能量。（2）物体的质量应包括静止质量和运动质量。质量亏损是静止质量的减少，减少的静止质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了，转化为和辐射能量相联系的运动质量。（3）从质量亏损可知，质量是物体具有能量的多少及能量转化多少的一种量度。2.质能方程E=mc（1）质能方程说明一定的质量总是跟一定的能量相联系。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的。E=mc（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，这时质能方程也写成ΔE=Δmc3.核能的计算方法（1）根据质量亏损计算①根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算。其中Δm的单位是千克，②利用原子质量单位u和电子伏特计算。1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，ΔE=Δm×931.5 MeV，其中Δm的单位为u，（2）利用平均结合能来计算原子核的结合能=核子的平均结合能×核子数。（3）利用核反应前后结合能之差来计算核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的核能。4.判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法（1）根据反应前后质量的变化情况进行判断：若质量减少即发生了质量亏损，则释放能量；若质量增加，则吸收能量。（2）根据动能变化判断：若不吸收光子而动能增加则放出能量。探究应用【典例1】一个锂核(37Li)受到一个质子的轰击，变成两个α粒子。已知质子的质量是1.6726×10（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。【典例2】​13H的质量是3.016050 u，质子的质量是1.007277 u，中子的质量为1.008665 （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？解题感悟核能的两种单位换算技巧（1）若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE=Δmc2，核能的单位为（2）若以原子质量单位“u”为质量亏损Δm的单位，则ΔE=Δm×931.5 MeV，核能的单位为MeV（3）两种单位的换算：1 MeV【迁移应用】1.关于质能方程E=mc2A.质量和能量可以相互变化B.当物体向外释放能量为ΔE时，其质量必定增加Δm，满足ΔE=ΔmC.物体的核能可以用mcD.mc2.雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(νe)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νe+3717Cl→3718ArA.1.33 B.0.82 C.0.51 D.0.31 3.对公式ΔE=Δmc2A.如果物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应地减少ΔmB.如果物体的质量增加了Δm，它的能量也一定相应地增加ΔmC.Δm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ΔE，则这些核子的质量和与组成原子核的质量之差就是Δm4.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E=mc2A.E=mcB.根据ΔE=ΔmcC.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.E=mc2中的5.核废水中含有很多放射性元素，其中Cs-137是最具危害的放射性元素，其衰变方程为​55137Csin→​A.衰变方程中的电子是来自铯的核外电子B.经过60年后，废水中的铯会衰变完C.将核废水排放到海水中，可以改变铯的衰变快慢D.Ba的比结合能比Cs的大确。6.一个质子和一个中子结合成一个核，同时辐射一个γ光子。已知质子、中子、核质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为A.核反应方程是1B.核反应中的质量亏损Δm=C.辐射出的光子的能量E=(D.γ光子的波长λ=D项错误。7.静止的氡核​86222Rn放出α粒子后变成钋核​84218Po，α粒子动能为EA.2B.0C.111D.109。8.在研究原子核的衰变过程中，发现U 238发生衰变产生新核Th 234，其衰变方程为​A.该衰变类型为β衰变B.衰变方程满足质量数守恒，所以没有质量亏损C.​92238UD.​92238U9.已知​88226Ra、​86222Rn、​24He的静止质量分别是226.0254 u、222.0175 u、4.0026 uA.​88B.​88226Ra发生一次C.因​88226Ra的比结合能比​86222D.一个静止的​88226Ra发生一次α衰