物理选择性必修 第三册第五章 原子核3 核力与结合能学案及答案

第3节核力与结合能

自主学习·必备知识

教材研习

教材原句

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？

答案：提示（1）不对，原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开需要能量，叫结合能。

（2）对于核子较多的原子核，其结合能大，但它的比结合能不一定大，比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。所以，比结合能的大小反映了原子核的稳定性。

②用粒子轰击铍核发现中子的核反应方程为，对于该反应，某同学说：核反应过程中核子数没变，所以质量是守恒的，该同学说法对吗，为什么？

答案：提示该同学的说法错误，核反应过程中质量数守恒而不是质量守恒。

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）是核反应前与核反应后的质量之差。

互动探究·关键能力

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，作用强度则比电磁力小。

2.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，约在数量级时起作用，距离大于时为引力，距离小于时为斥力，距离为时核力几乎消失。

（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的核子之间，大于为吸引力，而小于为斥力

答案：  ;

解析：由核力的特点知道，核力的作用范围只有约，每个核子只跟邻近的核子发生，核力作用。

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？

答案：提示（1）中等质量的原子核比结合能较大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性比结合能越大，原子核越稳定。

（2）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

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

答案： ;

解析：核子结合成原子核要放出能量，原子核拆解成核子要吸收能量，、两项正确；比结合能越大的原子核越稳定，但比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比结合能比重核的大，但由于核子数比重核的少，其结合能比重核的小，、两项错误。

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.铯原子核的结合能小于铅原子核的结合能

D.比结合能越大，原子核越不稳定

答案：

解析：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，故项错误；原子核衰变成粒子和另一原子核，要释放能量，衰变产物的结合能之和一定大于原来原子核的结合能，故项错误；铯原子核的核子数小于铅原子核的核子数，故铯原子核的结合能小于铅原子核的结合能，故项正确；比结合能越大，原子核越稳定，故项错误。

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.质能方程的理解

（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。，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。

（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。

3.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计算。其中的单位是千克，的单位是焦耳。

②利用原子质量单位和电子伏特计算。

1原子质量单位相当于的能量，，其中的单位为，的单位为。

（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

例1 一个锂核受到一个质子的轰击，变成两个粒子。已知质子的质量是，锂核的质量是，氦核的质量是。

（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。

答案：（1）

（2）

解析：（1）

（2）核反应的质量亏损

代入数据得

释放的能量

例2  的质量是，质子的质量是，中子的质量为。（质量亏损相当于释放的能量）

（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）氚核的结合能和比结合能各是多少？

答案：（1）放出能量（2）

解析：（1）一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程为

反应前各核子总质量为

反应后新核的质量为

质量亏损为

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

释放的能量为

（2）氚核的结合能为

它的比结合能为

解题感悟

核能的两种单位换算技巧

（1）若以为质量亏损的单位，则计算时应用公式，核能的单位为。

（2）若以原子质量单位“ ”为质量亏损的单位，则，核能的单位为。

（3）两种单位的换算：。

迁移应用

1.（2021天津河西高三期中）关于质能方程，下列说法正确的是(      )

A.质量和能量可以相互变化

B.当物体向外释放能量为时，其质量必定增加，满足

C.物体的核能可以用表示

D.是物体所蕴藏能量的总和

答案：

解析：是物体所蕴藏能量的总和，不表示核能，质量和能量不能相互转化；当物体向外释放能量为时，其质量必定减少。

2.雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子而获得了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四氯乙烯溶液的巨桶，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，已知核的质量为，核的质量为，的质量为 ,质量对应的能量为。根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量约为(      )

A.

B.

C.

D.

答案：

解析：根据1原子质量单位相当于的能量，则。