高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册3 核力与结合能精品课件ppt

5.3 核力与结合能

Ⅰ. 基础达标

一、单选题

1．（2021·河南高三二模）下列关于近代物理内容的叙述，正确的是（　　）

A．康普顿效应揭示了光具有粒子性

B．原子核发生一次β衰变，该原子就失去一个核外电子

C．结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定

D．一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，可能是因为光的光强太弱

【答案】A

【解析】

A．光电效应、康普顿效应揭示了光既有能量，又有动量，说明光具有粒子性，A正确；

B．原子核的β衰变过程是中子转变为质子而释放出电子的过程，核外电子没有参与该反应中，B错误；

C．比结合能的大小反映原子核的稳定程度，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，与结合能的大小无关，C错误；

D．能否发生光电效应与入射光的强度无关，与入射光的频率有关，D错误。

故选A。

2．（2021·北京西城区·高三一模）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表明物体具有的能量与其质量成正比

B．根据ΔE=Δmc2可以计算核反应中释放的核能

C．若m表示核电站参与反应的铀235的质量，则E表示核反应释放的核能

D．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核聚变反应，因此太阳的质量在不断减少

【答案】C

【解析】

A．爱因斯坦提出的质能方程

E=mc2

告诉我们，物体具有的能量与它的质量成正比，故A正确，不符合题意；

B．根据

ΔE=Δmc2

Δm是亏损质量，ΔE是释放的核能，故B正确，不符合题意；

C．若m表示核电站参与反应的铀235的质量，则E表示其具有的能量，不表示核反应释放的核能，故C错误，符合题意。

D．太阳辐射的能量来自太阳内部的轻核聚变，即热核反应，轻核聚变有质量亏损，释放核能，故D正确，不符合题意。

故选C。

3．（2021·北京东城区·高三一模）原子核的天然放射现象称为衰变，一静止的铀核放出一个粒子衰变成钍核，衰变方程为。下列说法正确的是（　　）

A．衰变后钍核的动能等于粒子的动能

B．衰变后钍核的动量大小等于粒子的动量大小

C．衰变过程的能量变化不满足爱因斯坦质能方程

D．衰变后粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量

【答案】B

【解析】

AB．静止的原子核在衰变前后动量守恒，由动量守恒定律得

可知

故衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小。而动能

由于钍核的质量m1大于α粒子的质量m2，故其动能不等，故A错误，B正确；

C．衰变过程的能量变化满足爱因斯坦质能方程，故C错误；

D．衰变的过程中有质量亏损，即衰变后α粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核的质量，故D错误。

故选B。

4．（2021·山东高三其他模拟）铀原子核既可发生衰变，也可发生裂变。其衰变方程为，裂变方程为，其中、、Y、的质量分别为m1、m2、m3、m4，光在真空中的传播速度为c。下列叙述正确的是（　　）

A．发生的是β衰变

B．Y原子核中含有56个中子

C．若提高温度，的半衰期将会变小

D．裂变时释放的能量为（m1－2m2－m3－m4）c2

【答案】D

【解析】

A．根据核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒，知X为氦原子核，发生的是α衰变，A错误；

B．Y的质量数

A＝235＋1－89－3＝144

电荷数

Z＝92－36＝56

由原子核的组成特点可知，Y原子核中含有56个质子，中子数为

144－56＝88

B错误；

C．半衰期与温度、压强等外界因素无关，C错误；

D．由于核裂变的过程中释放能量，根据爱因斯坦质能方程得

ΔE＝Δmc2＝（m1－2m2－m3－m4）c2

D正确。

故选D。

5．（2021·山东高三其他模拟）铁元素（）是目前已知最稳定的元素。在宇宙中，比铁重的元素主要是通过“中子俘获”的核反应产生的。所谓“中子俘获”，是指原子核与中子碰撞结合，并形成重核的过程。下列关于结合能和核反应的说法正确的是（　　）

A．元素的比结合能越大，核子结合得越牢固，铁元素（）的比结合能最大

B．轻核聚变吸收能量，重核裂变放出能量

C．某重原子核衰变成α粒子和另一新核，衰变产物的质量之和一定大于原来重核的质量

D．铁元素（）可用作核燃料

【答案】A

【解析】

A．平均结合能越大，原子核越稳定，因铁元素最稳定，故其比结合能（平均结合能）最大，故A正确；

B．根据质能方程可知，轻核的聚变和重核的裂变过程，都存在质量亏损，都向外界放出能量，故B错误；

C．重原子核衰变成α粒子和另一新核，该过程中要释放能量，根据质能方程可知衰变产物的质量之和一定小于原来重核的质量，故C错误；

D．铁元素（）的比结合能最大，发生核反应不能释放能量，不能用作核燃料，故D错误；

故选A。

6．（2021·广东高三其他模拟）我国自主研发的聚变—裂变混合反应堆的主体部分由“聚变堆芯”和“裂变包层”等组成，“聚变堆芯”中氘、氚燃料发生可控热核聚变反应，输出大量高能中子，“裂变包层”中的在高能中子的作用下可转变为，经过两次衰变后可变成，发生裂变反应能够稳定、可控地输出巨大的能量。1个核“捕捉”一个中子发生裂变反应，可产生两个新核X1、X2，同时产生x个中子。已知核、X1核、X2核和中子的质量分别为m、m1、m2和mn，光在真空中的传播速度为c，下列说法正确的是（　　）

A．“聚变堆芯”中发生的核反应方程为

B．衰变为发生了2次α衰变

C．新核X1的比结合能小于核的比结合能

D．1个核发生裂变反应释放的能量

【答案】D

【解析】

A．核反应方程两边质量数不相等，故A错误；

B．衰变为，衰变前后质量数没有变化，质子数增加了2，所以是发生了2次β衰变，故B错误；

C．1个 核“捕捉”一个中子发生裂变反应，可产生两个中等质量的原子核，它们的比结合能都比较大，故C错误；

D．因为1个核“捕捉”一个中子发生裂变反应，可产生两个新核X1、X2，同时产生x个中子。且核、X1核、X2核和中子的质量分别为m、m1、m2和mn，光在真空中的传播速度为c，所以根据爱因斯坦质能方程知，故D正确。

故选D。

7．（2021·江苏南京市·高三二模）下列关于放射性元素衰变的说法正确的是（　　）

A．，钍核和粒子的结合能之和一定大于铀核的结合能

B．钍核（）发生衰变时，新核中子数不变

C．铀核（）衰变为（）的过程中，要经过8次衰变和4次衰变

D．放射性元素的半衰期与原子所处的化学状态和外部条件有关

【答案】A

【解析】

A．钍核和粒子比铀核稳定，则钍核和粒子的平均结合能比铀核的大，所以钍核和粒子的结合能之和一定大于铀核的结合能，则A正确；

B．钍核（）发生衰变时，中子数减少，质子数增加，质量数不变，所以B错误；

C．铀核（）衰变为（）的过程中，要经过8次衰变和6次衰变，所以C错误；

D．放射性元素的半衰期与原子所处的化学状态和外部条件无关，所以D错误；

故选A。

8．（2021·浙江绍兴市·高三二模）核武器实验会产生一些放射性微尘，微尘中问题最大的核素之一是锶-90（Sr），它的化学性质和钙相似，能被吸收到骨骼和牙齿里，它的半衰期为28.1年，由于β衰变会对人体健康造成影响。下列说法正确的是（　　）

A．β射线是能量很高的电磁波

B．锶-90经过β衰变后形成的新核的电荷数减少1

C．锶-90含量减少到初始水平的6.25%需要112.4年

D．核武器实验涉及的核反应过程中，质量守恒、电荷数守恒

【答案】C

【解析】

A．β射线是电子流，不是电磁波，故A错误；

B．根据β衰变特点可知，锶-90经过β衰变后形成的新核的电荷数增加1，故B错误；

C．由公式

解得

故C正确；

D．核武器实验涉及的核反应过程中，放出能量，发生质量亏损，则质量不守恒，故D错误。

故选C。

9．（2021·江苏省如皋中学高二月考）人们发现，不同的原子核，其核子的平均质量（原子核的质量除以核子数）与原子序数有如图所示的关系。下列关于原子结构和核反应的说法不正确的是（　　）

A．在核反应堆的外面修建很厚的水泥层能防止放射线和放射性物质的泄漏。

B．由图可知，原子核A裂变成原子核B和C时会有质量亏损，要放出核能

C．已知原子核A裂变成原子核B和C时放出的γ射线能使某金属板逸出光电子，若增加γ射线强度，则逸出光电子的最大初动能增大。

D．在核反应堆的铀棒之间插入镉棒是为了控制核反应速度

【答案】C

【解析】

A．在核反应堆的外面修建很厚的水泥层能防止放射线和放射性物质的泄漏，选项A正确，不符合题意；

B．由图可知，A的核子平均质量大于B与C核子的平均质量，原子核A裂变成原子核B和C时会有质量亏损，要放出核能，选项B正确，不符合题意；

C．根据光电效应方程知，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，选项C错误，符合题意；

D．在核反应堆的铀棒之间插入镉棒是为了控制核反应速度，选项D正确，不符合题意。

故选C。

10．（2021·江苏省如皋中学高二月考）两个氘核以相等的动能Ek对心碰撞发生核聚变，核反应方程为H＋H→He＋n，其中氘核的质量为m1，氦核的质量为m2，中子的质量为m3。假设核反应释放的核能E全部转化为动能，下列说法正确的是（　　）

A．核反应后氦核与中子的动量相同

B．该核反应释放的能量为E＝（m2+m3-2m1）c2

C．核反应后氦核的动能为

D．核反应后中子的动能为

【答案】C

【解析】

A．两个氘核以相等的动能Ek对心碰撞，根据动量守恒定律知，反应前的总动量为零，则反应后总动量为零，即氦核和中子的动量大小相等，方向相反，故A错误；
B．根据爱因斯坦质能方程得

△E=△mc2=(2m1−m2−m3)c2

故B错误；
CD．反应后氦核和中子的总动能来自释放的核能以及反应前氘核的总动能之和，则反应后氦核和中子的总动能为：2Ek+E，根据动量守恒知，氦核和中子的动量大小相等，方向相反，由

可知，氦核和中子的动能之比为1：3，则核反应后中子的动能

氦核的动能

故C正确，D错误。

故选C。

11．（2021·山东潍坊市·高三月考）静止的镭核发生衰变生成Rn，并释放光子，衰变方程：。已知，，的质量分别为226.0254u，222.0175u，4.0026u。不计光子的动量和能量，1u相当于931MeV，此衰变产生的粒子的动能约为（　　）

A．0.087MeV B．1.67MeV C．3.25MeV D．4.85MeV

【答案】D

【解析】

根据质能方程得

解得

粒子与Rn核，动量守恒与能量守恒有

，

解得

故选D。

12．（2021·江苏南通市·）原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的是（　　）

A．Li核的结合能约为15MeV B．Kr核的结合能比U核大

C．两个H核结合成He核时吸收能量 D．U核的平均核子质量比Kr核的大

【答案】D

【解析】

A．根据图像可知，Li核的比结合能约为5 MeV，所以结合能约为30MeV。A错误；

B．Kr核的比结合能比U核大，但是结合能比U核小。B错误；

C．因为He的比结合能较大，所以两个H核结合成He核时放出能量。C错误；

D．因为Kr核的比结合能比U核大，所以U核分裂成Kr核时会发生质量亏损，即U核的平均核子质量比Kr核的大。D正确。

故选D。

13．（2021·四川绵阳市·三台中学实验学校高二开学考试）准确理解和掌握物理知识是非常重要的，否则同学们在做选择题时，会觉得每个选项都似乎都是正确的，更可怕的是在多选题中可能由于对某一个选项的知识的模糊，往往会导致整个题目的完全溃败，下列对物理方面知识的说法错误的是（　　）

A．在α、β、γ这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，α射线的电离能力最强

B．光的干涉、衍射、偏振体现了光的波动性，光电效应和康普顿效应体现了光的粒子性

C．比结合能越大，表示原子核中核子结合得越不牢固，原子核越不稳定

D．根据玻尔理论，氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要释放一定频率的光子，同时电子的动能增大，电势能减小

【答案】C

【解析】

A．在α、β、γ这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，α射线的电离能力最强，A正确，不符合题意；

B．光的干涉、衍射、偏振体现了光的波动性，光电效应和康普顿效应体现了光的粒子性，B正确，不符合题意；

C．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错误，符合题意；

D．根据玻尔理论，氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要释放一定频率的光子，同时电子的动能增大，电势能减小，D正确，不符合题意。

故选C。

14．（2021·辽宁高三月考）下列天于近代物理内容的叙述中，正确的是（　　）

A．两个质子间不管距离如何，总有核力存在，且核力总是大于库仑力

B．玻尔的原子理论认为，电子在不同的轨道上运动时，原子处在不同的能量状态，但不向外辐射能量

C．在光电效应实验中，保持入射光强度不变，仅提高入射光频率，逸出的光电子的最大初动能不变

D．在相同速率的情况下，显微镜利用电子流工作比利用质子流工作将有更高的分辨率

【答案】B

【解析】

A．核力是短程力，在一定的范围内发生作用，所以核力并不是总大于库仑力，故A错误。

B．玻尔的原子理论认为，电子在不同的轨道上运动时，原子处在不同的能量状态，但不向外辐射能量，故B正确；

C．根据Ekm=hv-W0得，提高入射光频率，逸出的光电子的最大初动能变大，故C错误；

D．相同速率情况下，质子流的动量大于电子流，根据，可知质子流的波长比利用电子流小，衍射现象不明显，则有更高的分辨率，故D错误。

故选B。

15．（2021·湖北高三月考）玉兔二号月球车是采用核能来提供能量的，它的核能电池系统主要包括两个组成部分：一个装填钚（）二氧化物的热源和一组固体热电偶。该装置使钚238衰变产生的核能转化为电能，这一系统设计使用寿命为14年。钚238的半衰期为88年，原来静止的一个钚238衰变时放出粒子和光子，生成原子核X。已知钚238、粒子、X的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c，下列说法正确的是（　　）

A．X的中子数比钚238的中子数少4个

B．钚238的温度升高后，其半衰期可能变为90年

C．射线的电离本领比射线强

D．光子的波长大于

【答案】D

【解析】

A．根据质量数守恒与电荷数守恒可知，X的质量数为

电荷数为

所以中子数

A错误；

B．元素的半衰期是由放射性元素本身决定的，与原子所处的物理状态无关、与化学状态无关，故B错误；

C．射线的电离能力最强，穿透能力最弱，C错误；

D．钚238衰变时动量守恒和能量守恒，总动量为零，衰变后射线动能不为零，因此释放的核能只有一部分以光子的形式辐射出去，则有

又

因此

D正确。

故选D。

二、多选题

16．（2021·浙江衢州市·高三二模）“快堆”中的钚239裂变释放出快中子，反应区周围的铀238吸收快中子后变成铀239，铀239很不稳定，经过两次β衰变后变成钚239，从而实现钚燃料的“增殖”。某5kg的钚239核燃料，每秒钟约有1.1×1013个钚239发生自然衰变，放出α粒子，已知钚239原子的α衰变质量亏损了0.0057u。已知1u相当于931.5MeV的能量，α粒子的在核燃料中减速会释放出热能，下列说法正确的是（　　）

A．铀239两次β衰变后，比结合能减小

B．原子核衰变时，动量守恒，质量守恒

C．原子核衰变时释放的α射线比β射线穿透能力更强

D．假设衰变释放的能量最终变成内能，该5kg的钚239核燃料的发热功率约为10W

【答案】BD

【解析】

A．铀239两次β衰变后，放出能量，比结合能增加，选项A错误；

B．原子核衰变时，合外力为零，则动量守恒，质量守恒，选项B正确；

C．原子核衰变时释放的α射线比β射线穿透能力弱，选项C错误；

D．假设衰变释放的能量最终变成内能，该5kg的钚239核燃料发生自然衰变放出能量

则发热功率约为

选项D正确。

故选BD。

三、填空题

17．（2021·江苏苏州市·南京师大苏州实验学校高二月考）在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出，中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测。1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中的核反应，间接地证实了中微子的存在。

（1）中微子与水中的发生核反应，产生中子（）和正电子（），即中微子，可以判定中微子的质量数和电荷数分别是（______）

A．0和0              B．0和1                C．1和0                 D．1和1

（2）上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子（γ），即。已知正电子和电子的质量都为9.1×10-31kg，反应中产生的每个光子的能量约为___________J（保留2位有效数字）。

【答案】A    8.2×10-14   

【解析】

(1)[1]根据质量数、电荷数守恒规律可知，中微子的质量数和电荷数分别是0和0，所以A正确；BCD错误；

故选A。

(2)[2]根据爱因斯坦的质能方程可得

每个光子的能量约为

18．（2019·江苏南京市·高二期末）一个铀核放出一个粒子后衰变成钍核，其衰变方程为→＋______；已知静止的铀核、钍核和放出粒子的质量分别为 m1、m2 和 m3，真空中的光速为 c，上述衰变过程中释放出的核能为______。

【答案】       

【解析】

[1]根据电荷数和质量数守恒得到衰变方程为

[2]根据爱因斯坦质能方程，有

19．（2020·枣庄市第三中学高二月考）一静止的氡核衰变为钋核和α粒子，其中、、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，设释放的核能全部转化钋核和α粒子的动能：

(1)写出衰变方程式______；

(2)求α粒子的动能______。

【答案】或       

【解析】

(1)[1]核反应方程满足质量数守恒与电荷数守恒，则衰变方程为

或

(2)[2]核反应过程中释放的核能为

衰变过程中动量守恒

根据可知

则α粒子的动能为

20．（2020·江苏高三专题练习）可控核聚变反应可向人类提供清洁而又取之不尽的能源。目前可控核聚变研究已经进入第三代，因不会产生中子而被称为“终极聚变”，其核反应方程式为：______，其释放的能量为，则该反应前后的质量亏损为_____________。（真空中的光速为c）

【答案】       

【解析】

[1]根据电荷数守恒，质量数守恒，可知。

[2]根据质能方程，得质量亏损为

Ⅱ. 能力提升

21．（2021·江苏南通市·）花岗岩、砖砂、水泥等建筑材料是室内氡的最主要来源。人呼吸时，氡气会随气体进入肺脏，氡衰变放出的射线像小“炸弹”一样击肺细胞，使肺细胞受损，从而引发肺癌、白血病等。一静止的氡核Rn发生一次衰变生成新核钋（Po），此过程动量守恒且释放的能量全部转化为粒子和钋核的动能已知m氡=222.0866u，mα=4.0026u，m钋=218.0766u，1u相当于931MeV的能量。

（1）写出上述核反应方程；

（2）求上述核反应放出的能量；

（3）求粒子的动能Eka。

【答案】（1）；（2）6.89MeV；（3）6.77MeV

【解析】

（1）根据质量数和电荷数守恒有

（2）质量亏损

解得

=0.0074×931MeV=6.89MeV

（3）设粒子、钋核的动能分别为、Ek钋，动量分别为、p钋，由能量守恒定律得

由动量守恒定律得

0= +p钋

又

故

解得

22．（2020·江苏苏州市·星海实验中学）已知氘核（H）质量为2.013 6 u，中子（n）质量为1.008 7 u，氦核（He）质量为3.015 0 u，1 u相当于931.5 MeV。

（1）写出两个氘核聚变成He的核反应方程；

（2）计算上述核反应中释放的核能（保留三位有效数字）；

（3）若两个氘核以相同的动能0.35 MeV做对心碰撞即可发生上述反应，且释放的核能全部转化为新核的动能，则反应后生成的氦核（He）动能大小是多少？

【答案】（1）；（2）；（3）

【解析】

（1）核反应方程

（2）根据

可知释放的核能

（3）碰撞的过程中满足动量守恒，因此

又由于能量守恒可知

整理得（He）动能大小为