2017_2018学年高中物理第四章原子核第四节核力与结合能同步备课教学案粤教版选修3

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第四节　核力与结合能[学习目标]　1.知道核力及其性质.2.知道重核与轻核中中子数与质子数的数量多少关系.3.掌握结合能和平均结合能的概念.4.知道质量亏损，理解爱因斯坦质能方程，并能进行有关核能的计算．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　一、核力及其性质[导学探究]　是什么力克服质子之间的库仑斥力，使核子结合成一个稳固的原子核的？答案　核子间(质子与质子、中子与中子、质子与中子)存在着一种比库仑力大得多的核力．[知识梳理]1．组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起，这种力称为核力．2．核力是一种很强的力，在它的作用范围内核力比库仑力大的多．3．核力是一种短程力．在约0.5×10－15～2×10－15m的距离内主要表现为引力；大于2×10－15m的距离时核力就迅速减小为零；在小于0.5×10－15m的距离内，核力又转变为强大的斥力而使核子不融合在一起．[即学即用]　判断下列说法的正误．(1)原子核中的质子是靠自身的万有引力聚在一起的．(　×　)(2)核力是一种很强的作用力，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多．(　√　)(3)核力是一种短程力，只有在小于厘米级的距离才有核力表现．(　×　)二、重核与轻核[导学探究]　(1)一些较轻的原子核如He、O、C、N中质子数和中子数有什么关系？(2)U、Th等重核中各有多少个中子、多少个质子？较重的原子核中中子数和质子数有什么关系？答案　(1)质子数与中子数相等．(2)U中含有92个质子、146个中子；Th中含有90个质子，144个中子．较重的原子核中中子数大于质子数．[知识梳理]自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但较重的原子核，中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多．[即学即用]　判断下列说法的正误．(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．(　√　)(4)稳定的重原子核里，质子数比中子数多．(　×　)三、结合能[导学探究]1．设有一个质子和一个中子在核力作用下靠近碰撞并结合成一个氘核．质子和中子结合成氘核的过程中是释放能量还是吸收能量？使氘核分解为质子和中子的过程中呢？答案　质子和中子结合成原子核的过程中要释放能量；氘核分解成质子和中子时要吸收能量．2．如图1所示是不同原子核的平均结合能随质量数变化的曲线．图1(1)从图中看出，中等质量的原子核与重核、轻核相比平均结合能有什么特点？平均结合能的大小反映了什么？(2)平均结合能较小的原子核转化为平均结合能较大的原子核时是吸收能量还是释放能量？答案　(1)中等质量的原子核平均结合能较大，平均结合能的大小反映了原子核的稳定性，平均结合能越大，原子核越稳定．(2)释放能量．[知识梳理]1．对结合能的理解(1)结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把原子核拆散成核子，需要能量，这就是原子核的结合能．(2)平均结合能：原子核的结合能与核子数之比称为平均结合能．平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定．(3)核子数较小的轻核和核子数较大的重核，平均结合能较小，中等核子数的原子核，平均结合能较大．当平均结合能较小的原子核转化为平均结合能较大的原子核时会释放核能．2．对质能方程和质量亏损的理解(1)质能方程爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是E＝mc2.(2)质量亏损质量亏损，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．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ΔE＝Δmc2.[即学即用]　判断下列说法的正误．(1)一切原子核均具有结合能．(　√　)(2)组成原子核的核子越多，它的结合能就越高．(　√　)(3)结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定．(　×　)(4)自由核子结合为原子核时，可能吸收能量．(　×　)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　一、对结合能的理解例1　下列关于结合能和平均结合能的说法中，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．平均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，重核的结合能和平均结合能都大D．中等质量原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大答案　D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，A选项错误；平均结合能越大的原子核越稳定，但平均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平均结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核小，B、C选项错误；中等质量原子核的平均结合能比轻核的大，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，D选项正确．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．平均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平均结合能大．二、质量亏损和核能的计算例2　H的质量是3.016 050 u，质子的质量是1.007 277 u，中子的质量为1.008 665 u．求：(质量亏损1 u相当于释放931.5 MeV的能量)(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)氚核的结合能和平均结合能各是多少？答案　(1)放出　7.97 MeV　(2)7.97 MeV　2.66 MeV解析　(1)一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程式是H＋2n―→H，反应前各核子总质量为mp＋2mn＝(1.007 277＋2×1.008 665) u＝3.024 607 u，反应后新核的质量为mH＝3.016 050 u，质量亏损为Δm＝(3.016 050－3.024 607) u＝－0.008 557 u.因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应放出能量．释放的核能为ΔE＝0.008 557×931.5 MeV≈7.97 MeV.(2)氚核的结合能即为ΔE＝7.97 MeV，它的平均结合能为≈2.66 MeV.1．计算过程中Δm的单位是kg，ΔE的单位是J.2．若Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV，可直接利用公式ΔE＝Δm×931.5 MeV来计算核能.　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1．下列关于核力的说法正确的是(　　)A．核力同万有引力没有区别，都是物体间的相互作用B．核力就是电磁力C．核力是短程力，作用范围在2×10－15 m之内D．核力与电荷有关答案　C解析　核力是短程力，超过2×10－15 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．2．(多选)关于原子核中质子和中子的比例，下列说法正确的是(　　)A．原子核中质子和中子的个数一定相等B．稳定的重原子核里，中子数要比质子数多C．原子核大到一定程度时，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D．质子和中子可以组合成任意稳定的核答案　BC3．(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α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(Cs)的结合能小于铅原子核(Pb)的结合能D．平均结合能越大，原子核越不稳定答案　ABC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α粒子和另一原子核，存在质量亏损，核子平均结合能增大，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；平均结合能越大，分开核子所需的能量越大，原子核越稳定，选项D错误．4．已知氮核质量MN＝14.007 53 u，氧17核的质量MO＝17.004 54 u，氦核质量MHe＝4.003 87 u，氢核质量MH＝1.008 15 u，试判断：N＋He→O＋H这一核反应是吸收能量还是放出能量？能量变化是多少？(已知1 u相当于931.5 MeV的能量)答案　吸收能量　1.2 MeV解析　反应前总质量：MN＋MHe＝18.011 40 u，反应后总质量：MO＋MH＝18.012 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．故ΔE＝(18.012 69－18.011 40)×931.5 MeV≈1.2 MeV.　　　　　　　　　　　　　　　　　　　一、选择题(1～8题为单选题，9题为多选题)1．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2×10－15 m内的核子之间，大于0.5×10－15 m为引力，而小于0.5×10－15 m为斥力答案　D解析　由核力的特点知道，只有相距2×10－15 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D正确，A、B、C错误．2．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答案　C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C.3．原子质量单位为u,1 u相当于931.5 MeV的能量，真空中光速为c，当质量分别为m1和m2的原子核结合为质量为M的原子核时释放出的能量是(　　)A．(M－m1－m2) u×c2B．(m1＋m2－M) u×931.5 JC．(m1＋m2－M)cD．(m1＋m2－M)×931.5 MeV答案　D4．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＝mc2，下列说法中不正确的是(　　)A．E＝mc2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ΔE＝Δmc2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．E＝mc2中的E是发生核反应时释放的核能答案　D解析　爱因斯坦质能方程E＝mc2定量的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．5．某核反应方程为H＋H→He＋X.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．则下列说法中正确的是(　　)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，该反应吸收能量答案　B解析　根据核反应过程质量数、电荷数守恒，可得H＋H→He＋X，X为中子，在该反应发生前反应物的总质量m1＝2.013 6 u＋3.018 0 u＝5.031 6 u，反应后产物总质量m2＝4.002 6 u＋1.008 7 u＝5.011 3 u．总质量减少，出现了质量亏损，故该反应释放能量．6．当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时，放出28.30 MeV的能量，当三个α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答案　C解析　设中子的质量为mn，质子的质量为mp，α粒子的质量为mα，碳原子核的质量为mC.根据质能方程：ΔE1＝28.30 MeV＝[2(mn＋mp)－mα]c2ΔE2＝7.26 MeV＝[3mα－mC]c2ΔE3＝[6mn＋6mp－mC]c2由以上各式得ΔE3＝92.16 MeV.7．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一定释放能量答案　C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A错误，同理可得B、D错误，C正确．8．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γ射线照射静止氘核使之分解，核反应方程为γ＋D→p＋n，若分解后中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是(　　)A.[(mD－mp－mn)c2－E]B.[(mD＋mn－mp)c2＋E]C.[(mD－mp－mn)c2＋E]D.[(mD＋mn－mp)c2－E]答案　C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γ射线能量E对应质量的增加和中子与质子动能的产生，即E＝Δmc2＋2Ek＝(mp＋mn－mD)c2＋2Ek得Ek＝[E－(mp＋mn－mD)c2]＝[(mD－mp－mn)c2＋E]，故选C.9．中子和质子结合成氘核时，质量亏损为Δm，相应的能量ΔE＝Δmc2＝2.2 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答案　AD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C错误，D正确．二、非选择题10．一个静止的镭核Ra发生衰变放出一个粒子变为氡核Rn.已知镭核226质量为226.025 4 u，氡核222质量为222.016 3 u，放出粒子的质量为4.002 6 u,1 u相当于931.5 MeV的能量．(1)写出核反应方程；(2)求镭核衰变放出的能量；(3)若衰变放出的能量均转变为氡核和放出粒子的动能，求放出粒子的动能．答案　(1)Ra→Rn＋He　(2)6.05 MeV(3)5.94 MeV解析　(1)核反应方程为Ra→Rn＋He.(2)镭核衰变放出的能量为ΔE＝Δm·c2＝(226.025 4－4.002 6－222.016 3)×931.5 MeV≈6.05 MeV.(3)镭核衰变前静止，镭核衰变时动量守恒，则由动量守恒定律可得mRnvRn－mαvα＝0①又因为衰变放出的能量转变为氡核和α粒子的动能，则ΔE＝mRnv＋mαv②由①②可得Ekα＝·ΔE≈5.94 MeV.