2017_2018學(xué)年高中物理第三章原子核第4節(jié)原子核的結(jié)合能教學(xué)案教科版.docx

第4節(jié) 原子核的結(jié)合能(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書頁碼P42)一、原子核的結(jié)合能及計(jì)算1結(jié)合能核子結(jié)合成原子核所釋放的能量，或者是原子核被拆分為各核子時(shí)克服核力所需做的功。2結(jié)合能的計(jì)算(1)質(zhì)量虧損：核反應(yīng)中，質(zhì)量的減少量(m)。(2)結(jié)合能計(jì)算公式：Emc2。二、比結(jié)合能曲線1比結(jié)合能對(duì)某種原子核，平均每個(gè)核子的結(jié)合能，表達(dá)式為，其中E為原子核的結(jié)合能，A為總核子數(shù)。2比結(jié)合能意義比結(jié)合能越大，取出一個(gè)核子就越困難，核就越穩(wěn)定，比結(jié)合能是原子核穩(wěn)定程度的量度。3比結(jié)合能曲線(1)曲線：(如圖341)所示。圖341(2)曲線意義：曲線中間高兩頭低，說明中等質(zhì)量的原子核的比結(jié)合能最大，核最穩(wěn)定。重核和輕核比結(jié)合能小，即重核裂變時(shí)或輕核聚變時(shí)，要釋放核能。1判斷：(1)自然界中的原子核內(nèi)，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)都大約相等。()(2)比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定。()(3)質(zhì)量和能量之間可以相互轉(zhuǎn)變。()答案：(1)(2)(3)2思考：有人認(rèn)為質(zhì)量虧損就是核子的個(gè)數(shù)變少了，這種認(rèn)識(shí)對(duì)不對(duì)？提示：不對(duì)。在核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒即核子的個(gè)數(shù)不變，只是核子組成原子核時(shí)，仿佛變“輕”了一些，原子核的質(zhì)量總是小于其全部核子質(zhì)量之和，即發(fā)生了質(zhì)量虧損，核子的個(gè)數(shù)并沒有變化。(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書頁碼P42)對(duì)結(jié)合能與比結(jié)合能的理解1.結(jié)合能要把原子核分開成核子時(shí)吸收的能量或核子結(jié)合成原子核時(shí)放出的能量。2比結(jié)合能等于原子核的結(jié)合能與原子核中核子個(gè)數(shù)的比值，它反映了原子核的穩(wěn)定程度。3比結(jié)合能曲線不同原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化圖線如圖342所示。圖342從圖中可看出，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)量的原子核要小。4比結(jié)合能與原子核穩(wěn)定的關(guān)系(1)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，表示該原子核就越穩(wěn)定。(2)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。(3)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(shí)，就可能釋放核能。例如，一個(gè)核子數(shù)較大的重核分裂成兩個(gè)核子數(shù)小一些的核，或者兩個(gè)核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個(gè)核子數(shù)大一些的核，都能釋放出巨大的核能。1中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核時(shí)，質(zhì)量虧損為m，相應(yīng)的能量Emc22.2 MeV是氘核的結(jié)合能。下列說法正確的是()A用能量小于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核不能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子B用能量等于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核可能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，它們的動(dòng)能之和為零C用能量大于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核可能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，它們的動(dòng)能之和為零D用能量大于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核可能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，它們的動(dòng)能之和不為零解析：選AD氘核分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子時(shí)，所需吸收的能量不能小于其結(jié)合能2.2 MeV，故A對(duì)；光子照射氘核時(shí)，光子和氘核組成的系統(tǒng)總動(dòng)量不為零，由動(dòng)量守恒定律得，光子被氘核吸收后，分解成的質(zhì)子和中子的總動(dòng)量不為零，故總動(dòng)能也不為零，所以把氘核分解為質(zhì)子和中子所需的能量應(yīng)大于2.2 MeV，故D對(duì)，B、C錯(cuò)。質(zhì)量虧損與核能的計(jì)算1.對(duì)質(zhì)量虧損的理解(1)在核反應(yīng)中仍遵守質(zhì)量守恒和能量守恒，所謂的質(zhì)量虧損并不是這部分質(zhì)量消失或質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?。物體的質(zhì)量應(yīng)包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，質(zhì)量虧損是靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量相聯(lián)系的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。如一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核的這一過程中，2.22 MeV的能量是以輻射光子形式放出的，光子的靜止質(zhì)量為零，但這個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為，由此可知這部分虧損恰好與光子的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量是相同的。(2)質(zhì)量虧損也不是核子個(gè)數(shù)的減少，核反應(yīng)中核子個(gè)數(shù)是不變的。質(zhì)量虧損并非這部分質(zhì)量消失，當(dāng)然也就不存在質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量的問題。2核能的計(jì)算方法核能的計(jì)算是原子物理的重要方面和高考的熱點(diǎn)問題，其基本方法是：(1)根據(jù)核反應(yīng)方程，計(jì)算核反應(yīng)前與核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損m。(2)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程Emc2或Emc2計(jì)算核能。(3)計(jì)算過程中m的單位是千克，E的單位是焦耳。2太陽因核聚變釋放出巨大的能量，同時(shí)其質(zhì)量不斷減少。太陽每秒鐘輻射出的能量約為41026 J，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，太陽每秒鐘減少的質(zhì)量最接近()A1036 kgB1018 kgC1013 kg D109 kg解析：選D據(jù)Emc2得：m kg4.4109 kg，選項(xiàng)A、B、C錯(cuò)，選項(xiàng)D正確。(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書頁碼P43)結(jié)合能的計(jì)算例1如果要把O分成8個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子，要給它多少能量？要把它分成4個(gè)He，要給它多少能量？已知的核子平均結(jié)合能是7.98 MeV，He的核子平均結(jié)合能是7.07 MeV。解析把O分成質(zhì)子和中子需提供的能量為：E1167.98 MeV127.68 MeV。將質(zhì)子和中子結(jié)合成一個(gè)He所放出的能量為：E247.07 MeV28.28 MeV。則將O分成 4個(gè)He需提供的能量為：EE14E2127.68 MeV428.28 MeV14.56 MeV答案127.68 MeV14.56 MeV解決此題時(shí)要把握以下三點(diǎn)：(1)由平均結(jié)合能計(jì)算出O分裂成核子的結(jié)合能。(2)由平均結(jié)合能計(jì)算出He的結(jié)合能。(3)由兩個(gè)結(jié)合能計(jì)算O分裂成He放出能量。核能的計(jì)算例2用速度幾乎是零的慢中子轟擊靜止的硼核(B)，產(chǎn)生鋰核(Li)和粒子。已知中子質(zhì)量mn1.008 665 u，硼核質(zhì)量mB10.01 677 u，鋰核質(zhì)量mLi7.01 822 u，粒子質(zhì)量m4.00 260 u。(1)寫出該反應(yīng)的核反應(yīng)方程；(2)求出該反應(yīng)放出的能量E。解析根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒寫出核反應(yīng)方程，由質(zhì)量虧損及愛因斯坦質(zhì)能方程求出核能。(1)核反應(yīng)方程為BnLiHe。(2)核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損為m(10.01 677 u1.008 665 u)(7.01 822 u4.00 260 u)0.004 615 u。釋放出的能量為E0.004 615931.5 MeV4.30 MeV。答案(1)BnLiHe(2) 4.30 MeV(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書頁碼P43)1下列關(guān)于結(jié)合能和比結(jié)合能的說法中正確的是()A核子結(jié)合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量稱為結(jié)合能B比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，因此它的結(jié)合能也一定越大C重核與中等質(zhì)量原子核相比較，重核的結(jié)合能和比結(jié)合能都大D中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能均比輕核的要大解析：選D核子結(jié)合成原子核時(shí)放出能量，原子核拆解成核子時(shí)吸收能量，A錯(cuò)；比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，但比結(jié)合能越大的原子核，其結(jié)合能不一定大，例如中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比重核大，但由于核子數(shù)比重核少，其結(jié)合能比重核小，B、C錯(cuò)；中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比輕核的大，它的原子核內(nèi)核子數(shù)又比輕核多，因此它的結(jié)合能也比輕核大，D正確。2下列關(guān)于原子和原子核的說法正確的是()A衰變現(xiàn)象說明電子是原子核的組成部分B玻爾理論的假設(shè)之一是原子能量的量子化C放射性元素的半衰期隨溫度的升高而變短D平均結(jié)合能越小表示原子核中的核子結(jié)合得越牢固解析：選B衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子時(shí)所產(chǎn)生的，A錯(cuò)誤；玻爾的基本假設(shè)是軌道、速度、能量都是量子化的，B正確；半衰期由原子核的內(nèi)部因素決定，跟元素的化學(xué)狀態(tài)、溫度、壓強(qiáng)等因素?zé)o關(guān)，C錯(cuò)誤；平均結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，D錯(cuò)誤。3下列說法中正確的是()A愛因斯坦質(zhì)能方程反映了物體的質(zhì)量就是能量，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化B由Emc2可知，能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系C核反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)的“質(zhì)量虧損”是消失的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成為能量D因在核反應(yīng)中能產(chǎn)生能量，有質(zhì)量的轉(zhuǎn)化，所以系統(tǒng)只有質(zhì)量數(shù)守恒，系統(tǒng)的總能量和總質(zhì)量并不守恒解析：選BEmc2說明能量和質(zhì)量之間存在著聯(lián)系，即能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系，并不是說明了能量和質(zhì)量之間存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，A錯(cuò)誤，B正確。核反應(yīng)中的“質(zhì)量虧損”并不是質(zhì)量消失，實(shí)際上是由靜止的質(zhì)量變成運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，并不是質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量，C錯(cuò)誤。在核反應(yīng)中，質(zhì)量守恒，能量也守恒，在核反應(yīng)前后只是能量的存在方式不同，總能量不變，在核反應(yīng)前后只是物質(zhì)由靜質(zhì)量變成動(dòng)質(zhì)量，D錯(cuò)誤。4關(guān)于質(zhì)能方程，下列哪些說法是正確的()A質(zhì)量減少，能量就會(huì)增加，在一定條件下質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量B物體獲得一定的能量，它的質(zhì)量也相應(yīng)地增加一定值C物體一定有質(zhì)量，但不一定有能量，所以質(zhì)能方程僅是某種特殊條件下的數(shù)量關(guān)系D某一定量的質(zhì)量總是與一定量的能量相聯(lián)系的解析：選BD質(zhì)能方程Emc2表明某一定量的質(zhì)量與一定量的能量是相聯(lián)系的，當(dāng)物體獲得一定的能量，即能量增加某一定值時(shí)，它的質(zhì)量也相應(yīng)增加一定值，并可根據(jù)Emc2進(jìn)行計(jì)算，所以B、D正確。5當(dāng)兩個(gè)中子和兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)粒子時(shí)，放出28.30 MeV的能量，當(dāng)三個(gè)粒子結(jié)合成一個(gè)碳(C)核時(shí)，放出7.26 MeV能量，則當(dāng)6個(gè)中子和6個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)碳(C)核時(shí)，釋放的能量為()A21.04 MeVB35.56 MeVC77.64 MeV D92.16 MeV解析：選D6個(gè)中子和6個(gè)質(zhì)子可結(jié)合成3個(gè)粒子，放出能量328.30 MeV84.9 MeV,3個(gè)粒子再結(jié)合成一個(gè)碳核，放出7.26 MeV能量，故6個(gè)中子和6個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)碳核時(shí)，釋放能量為84.9 MeV7.26 MeV92.16 MeV。6中子n、質(zhì)子p、氘核D的質(zhì)量分別為mn、mp、mD。現(xiàn)用光子能量E的射線照射靜止氘核使之分解，反應(yīng)方程為Dpn。若分解后的中子、質(zhì)子的動(dòng)能可視為相等，則中子的動(dòng)能是()A.(mDmpmn)c2EB.(mpmnmD)c2EC.(mDmpmn)c2ED.(mpmnmD)c2E解析：選C氘核分解成中子、質(zhì)子時(shí)，質(zhì)量增加mmpmnmD，所以2EkE(mpmnmD)c2，得中子動(dòng)能為Ek(mDmpmn)c2E，故正確答案為C。7下面是一核反應(yīng)方程，HHHeX，用c表示光速，則()AX是質(zhì)子，核反應(yīng)放出的能量等于質(zhì)子質(zhì)量乘以c2BX是中子，核反應(yīng)放出的能量等于中子質(zhì)量乘以c2CX是質(zhì)子，核反應(yīng)放出的能量等于氘核與氚核質(zhì)量和減去氦核與質(zhì)子的質(zhì)量和再乘以c2DX是中子，核反應(yīng)放出的能量等于氘核與氚核質(zhì)量和減去氦核與中子的質(zhì)量和再乘以c2解析：選D由質(zhì)量數(shù)守恒和核電荷數(shù)守恒可得X為中子，根據(jù)質(zhì)能方程可得核反應(yīng)放出的能量為反應(yīng)前后質(zhì)量虧損和c2的乘積，故D正確。8用質(zhì)子轟擊鋰核(Li)生成兩個(gè)粒子，以此進(jìn)行有名的驗(yàn)證愛因斯坦質(zhì)能方程的實(shí)驗(yàn)。已知質(zhì)子的初動(dòng)能是0.6 MeV，質(zhì)子、粒子和鋰核的質(zhì)量分別是1.007 3 u、4.001 5 u和7.016 0 u。已知1 u相當(dāng)于931.5 MeV，則下列敘述中正確的是()A此反應(yīng)過程質(zhì)量減少0.010 3 uB生成的兩個(gè)粒子的動(dòng)能之和是18.3 MeV，與實(shí)驗(yàn)相符C核反應(yīng)中釋放的能量是18.9 MeV，與實(shí)驗(yàn)相符D若生成的兩個(gè)粒子的動(dòng)能之和是19.5 MeV，與實(shí)驗(yàn)相符解析：選CD核反應(yīng)前的質(zhì)量為：1.007 3 u7.016 0 u8.023 3 u，核反應(yīng)后的質(zhì)量為24.001 5 u8.003 0 u，此反應(yīng)過程中質(zhì)量減少了0.020 3 u，故A錯(cuò)；根據(jù)質(zhì)能方程Em931.5 Mev18.9 MeV，故核反應(yīng)釋放的核能為18.9 MeV，C正確；由反應(yīng)過程中能量守恒知反應(yīng)后兩個(gè)粒子的總動(dòng)能E總18.9 MeV0.6 MeV19.5 MeV，故B錯(cuò)、D對(duì)。9一個(gè)電子(質(zhì)量為m，電荷量為e)和一個(gè)正電子(質(zhì)量為m，電荷量為e)，以相等的初動(dòng)能Ek相向運(yùn)動(dòng)，并撞到一起，發(fā)生“湮滅”，產(chǎn)生兩個(gè)頻率相同的光子，設(shè)產(chǎn)生光子的頻率為，若這兩個(gè)光子的能量都為h，動(dòng)量分別為p和p，下面關(guān)系式中正確的是()Ahmc2，ppBhmc2，ppChmc2Ek，ppDh(mc2Ek)，pp解析：選C能量守恒和動(dòng)量守恒為普遍適用的定律，故以相等動(dòng)能相向運(yùn)動(dòng)發(fā)生碰撞而湮滅的正負(fù)電子總能量為：2Ek2mc2，產(chǎn)生兩個(gè)光子后，總動(dòng)量守恒為零，故pp，且2Ek2mc22h，即hEkmc2。10已知氮核質(zhì)量mN14.007 53 u，氧核質(zhì)量mO17.00 454 u，氦核質(zhì)量mHe4.00 387 u，質(zhì)子質(zhì)量mH1.00 815 u，試判斷核反應(yīng)：是吸能反應(yīng)還是放能反應(yīng)，能量變化多少？解析：反應(yīng)前的總質(zhì)量mNmHe18.011 40 u，反應(yīng)后的總質(zhì)量mOmH18.012 69 u。因?yàn)榉磻?yīng)中質(zhì)量增加，所以此反應(yīng)為吸能反應(yīng)，所吸能量為Emc2(mOmH)(mNmHe)c2(18.012 6918.011 40)931.5 MeV1.2 MeV。答案：吸能反應(yīng)1.2 Me