2024-2025學(xué)年高中物理第十九章原子核5核力與結(jié)合能學(xué)案新人教版選修3-5

PAGE7-5核力與結(jié)合能一、核力與四種基本相互作用1．什么是核力組成原子核的核子之間有很強(qiáng)的相互作用力，使核子能夠克服庫侖斥力而緊密地結(jié)合在一起，這種力稱為核力．2．核力是短程力核力是一種強(qiáng)相互作用力，在它的作用范圍內(nèi)比庫侖力大得多；核力是一種短程力，作用范圍僅局限于1.5×10－15m，在大于0.8×10－15m時表現(xiàn)為引力，超過1.5×10－15m時，核力急劇下降為零；而距離小于0.8×10－3．核力的飽和性每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力的作用．原子核是由中子和質(zhì)子組成的，在原子核狹小的空間里，帶正電的質(zhì)子為什么能擠在一起而不飛散？提示：組成原子核的相鄰核子間存在著核力．二、原子核中質(zhì)子與中子的比例1．輕原子核自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等．2．重原子核對于較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差就越大．三、結(jié)合能1．結(jié)合能把原子核分解為獨立的核子，須要克服強(qiáng)大的核力做功，因此須要汲取的能量或核力把核子結(jié)合在一起放出的能量，稱為原子核的結(jié)合能．2．比結(jié)合能結(jié)合能與核子數(shù)之比稱為比結(jié)合能．比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越堅固，原子核越穩(wěn)定．四、質(zhì)量虧損1．質(zhì)量虧損核反應(yīng)前與反應(yīng)后的總質(zhì)量之差稱為質(zhì)量虧損．2．愛因斯坦質(zhì)能方程E＝mc2.3．核能的計算ΔE＝Δmc2，其中Δm是質(zhì)量虧損．有人認(rèn)為質(zhì)量虧損就是核子的個數(shù)變少了，這種相識對不對？提示：不對．在核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒即核子的個數(shù)不變，只是核子組成原子核時，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，核子的個數(shù)并沒有改變．考點一對質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的理解1．質(zhì)能方程E＝mc2的理解(1)質(zhì)能方程說明，肯定的質(zhì)量總是跟肯定的能量相聯(lián)系的．詳細(xì)地說，肯定質(zhì)量的物體所具有的總能量是肯定的，等于光速的平方與其質(zhì)量之積，這里所說的總能量，不是單指物體的動能、核能或其他哪一種能量，而是物體所具有的各種能量的總和．(2)運用質(zhì)能方程時應(yīng)留意單位．一般狀況下，公式中各量都應(yīng)取國際單位．但在微觀領(lǐng)域，用國際制單位往往比較麻煩，習(xí)慣上常用“原子質(zhì)量單位”和“電子伏特”作為質(zhì)量和能量的單位．(3)依據(jù)質(zhì)能方程，物體的總能量與其質(zhì)量成正比．物體質(zhì)量增加，則總能量隨之增加；質(zhì)量削減，總能量也隨之削減，這時質(zhì)能方程也寫作ΔE＝Δmc2.2．質(zhì)量虧損Δm的理解所謂質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消逝，削減的質(zhì)量在核子結(jié)合成核的過程中以能量的形式輻射出去了．反過來，把原子核分裂成核子，總質(zhì)量要增加，總能量也要增加，增加的能量要由外部供應(yīng)．【例1】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E＝mc2可知，能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系，可以用物體的質(zhì)量作為它所隱藏的能量的量度C．核反應(yīng)中發(fā)覺的“質(zhì)量虧損”是消逝的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰緿．因為在核反應(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)量并不守恒依據(jù)E＝mc2中E與m的對應(yīng)關(guān)系分析．【答案】B【解析】E＝mc2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，但并不說明能量和質(zhì)量之間存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，故A項錯誤，而B項正確．核反應(yīng)中的“質(zhì)量虧損”并不是質(zhì)量消逝，事實上是由靜止的質(zhì)量變成運動的質(zhì)量，并不是質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量，故C項錯誤．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)量變成動質(zhì)量，故D項錯誤．故選B.總結(jié)提能本題易錯選為A、D.錯誤分析：認(rèn)為質(zhì)能方程E＝mc2反映的物體的質(zhì)量就是能量，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化，故認(rèn)為A項正確．由于在核反應(yīng)中有能量產(chǎn)生且有質(zhì)量虧損，就錯誤地認(rèn)為有質(zhì)量的轉(zhuǎn)化，認(rèn)為在反應(yīng)前后總能量不守恒，總質(zhì)量亦不守恒，故認(rèn)為D項正確．(多選)關(guān)于質(zhì)能方程，下列說法正確的是(BD)A．質(zhì)量削減，能量就會增加，在肯定條件下質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量B．物體獲得肯定的能量，它的質(zhì)量也相應(yīng)地增加肯定值C．物體肯定有質(zhì)量，但不肯定有能量，所以質(zhì)能方程僅是某種特別條件下的數(shù)量關(guān)系D．肯定量的質(zhì)量總是與肯定量的能量相聯(lián)系的解析：質(zhì)能方程E＝mc2表明肯定量的質(zhì)量與肯定量的能量是相聯(lián)系的．當(dāng)物體獲得肯定的能量，即能量增加某肯定值時，它的質(zhì)量也相應(yīng)增加肯定值，并可依據(jù)ΔE＝Δmc2進(jìn)行計算，所以B、D正確．考點二結(jié)合能的計算1．依據(jù)質(zhì)量虧損計算其步驟如下：(1)依據(jù)核反應(yīng)方程，計算核反應(yīng)前和核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損Δm.(2)依據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E＝mc2或ΔE＝Δmc2計算核能．2．利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特間的關(guān)系計算(1)明確原子質(zhì)量單位u和電子伏特間的關(guān)系：因為1u＝1.6606×10－27kg則E＝mc2＝1.6606×10－27×(3.0×108)2J≈1.49×10－10J.又1eV＝1.6×10－19J，則E＝1.49×10－10J＝931.25MeV.(2)依據(jù)(1)，原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.25MeV能量，用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.25MeV，即ΔE＝Δm×931.25MeV.3．利用平均結(jié)合能來計算核能原子核的結(jié)合能＝核子的平均結(jié)合能×核子數(shù)．核反應(yīng)中反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)全部原子核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的全部新核的總結(jié)合能之差，就是該次核反應(yīng)所釋放(或汲取)的核能．4．依據(jù)能量守恒和動量守恒來計算核能參加核反應(yīng)的粒子所組成的系統(tǒng)，在核反應(yīng)過程中的動量和能量是守恒的，因此，在題給條件中沒有涉及質(zhì)量虧損，或者核反應(yīng)所釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為生成的新粒子的動能而無光子輻射的狀況下，從動量和能量守恒可以計算出核能的改變．5．應(yīng)用阿伏加德羅常數(shù)計算核能若要計算具有宏觀質(zhì)量的物質(zhì)中全部原子核都發(fā)生核反應(yīng)所放出的總能量，應(yīng)用阿伏加德羅常數(shù)計算核能較為簡便．(1)依據(jù)物體的質(zhì)量m和摩爾質(zhì)量M由n＝eq\f(m,M)求出物質(zhì)的量，并求出原子核的個數(shù)：N＝NAn＝NAeq\f(m,M).(2)由題設(shè)條件求出一個原子核與另一個原子核反應(yīng)放出或汲取的能量E0(或干脆從題目中找出E0)．(3)再依據(jù)E＝NE0求出總能量．【例2】鐳核eq\o\al(226,88)Ra發(fā)生衰變放出一個粒子變?yōu)殡焙薳q\o\al(222,86)Rn.已知鐳核226質(zhì)量為226.0254u，氡核222質(zhì)量為222.0163u，放出粒子質(zhì)量為4.0026u.(1)寫出核反應(yīng)方程；(2)求鐳核衰變放出的能量．依據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒書寫核反應(yīng)方程，依據(jù)質(zhì)量虧損計算核能．【答案】(1)eq\o\al(226,88)Ra→eq\o\al(222,86)Rn＋eq\o\al(4,2)He(2)6.05MeV【解析】(1)核反應(yīng)(衰變)方程為：eq\o\al(226,88)Ra→eq\o\al(222,86)Rn＋eq\o\al(4,2)He.(2)鐳核衰變放出的能量為：ΔE＝Δm·c2＝(226.0254－4.0026－222.0163)×931.25MeV≈6.05MeV.總結(jié)提能①計算核能時，可以干脆由質(zhì)能方程求出，也可由與1u相當(dāng)?shù)哪芰壳蟪?，方法由已知條件而定．②計算質(zhì)量虧損時，可以用給出的原子質(zhì)量去計算核的質(zhì)量虧損．已知氮核質(zhì)量MN＝14.00753u，氧核的質(zhì)量MO＝17.00454u，氦核質(zhì)量MHe＝4.00387u，氫核質(zhì)量MH＝1.00815u.試推斷：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H這一核反應(yīng)汲取能量還是放出能量？能量改變多少？答案：汲取能量1.2MeV解析：反應(yīng)前總質(zhì)量：MN＋MHe＝18.01140u，反應(yīng)后總能量：MO＋MH＝18.01269u.可以看出：反應(yīng)后總質(zhì)量增加，故該反應(yīng)是汲取能量的反應(yīng)，汲取的能量利用ΔE＝Δm·c2來計算，若反應(yīng)過程中質(zhì)量增加1u，就會汲取931.25MeV的能量，則ΔE＝(18.01269－18.01140)×931.25MeV≈1.2MeV.1．下列關(guān)于對核力的相識，正確的是(D)A．核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)，比庫侖力大得多B．核力存在于質(zhì)子和中子、中子和中子之間，質(zhì)子和質(zhì)子之間只有庫侖斥力C．核力是核子間相互吸引的力，是短程力D．核力只存在于相鄰的核子之間，具有飽和性解析：在原子核的尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多，但當(dāng)原子核大到肯定程度時，核力將不足以平衡庫侖力，A錯誤；相鄰核子間都存在核力作用，B錯誤，D正確；核子間的距離小于0.8×10－15m時，核力表現(xiàn)為斥力，大于0.8×10－152．中子比質(zhì)子更簡單擊中原子核的緣由是(D)A．中子體積較小B．中子速度較大C．中子能量較大D．中子不帶電解析：由于中子不帶電，與原子核之間不存在庫侖斥力，所以，它比其他粒子更易接近原子核并打進(jìn)內(nèi)部去，D正確．3．下列說法中正確的是(B)A．原子核內(nèi)的全部質(zhì)子間都存在核力和庫侖力B．對質(zhì)子數(shù)較多的原子核，其中的中子起到維系原子核穩(wěn)定的作用C．重核比中等質(zhì)量的核更穩(wěn)定D．兩個質(zhì)子之間不管距離如何，核力總大于庫侖力解析：只有相鄰質(zhì)子間才存在核力，A、D錯誤；中子與其他核子間沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，起到維系原子核穩(wěn)定的作用，B正確；中等質(zhì)量大小的核最穩(wěn)定，C錯誤．4．某核反應(yīng)方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋X.已知eq\o\al(2,1)H的質(zhì)量為2.0136u，eq\o\al(3,1)H的質(zhì)量為3.0180u，eq\o\al(4,2)He的質(zhì)量為4.0026u，X的質(zhì)量為1.0087u．則下列說法中正確的是(B)A．X是質(zhì)子，該反應(yīng)釋放能量B．X是中子，該反應(yīng)釋放能量C．X是質(zhì)子，該反應(yīng)汲取能量D．X是中子，該反應(yīng)汲取能量解析：依據(jù)核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)電荷數(shù)守恒規(guī)律，可得eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)X，即X為中子；在該反應(yīng)發(fā)生前，反應(yīng)物的總質(zhì)量m1＝(2.0136＋3.0180)u＝5.0316u，反應(yīng)后產(chǎn)物總質(zhì)量m2＝(4.0026＋1.0087)u＝5.0113u，總質(zhì)量削減，出現(xiàn)了質(zhì)量虧損，故該反應(yīng)釋放能量．5．在試驗室內(nèi)較精準(zhǔn)地測量到雙β衰變事例是在1987年公布的，在進(jìn)行了7960小時的試驗后，以68%的置信度認(rèn)為eq\o\al(82,34)Se發(fā)生的36個雙β衰變事例，已知靜止的