人教版選修(3-5)《核力與結合能》學案1

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1、 最新人教版選修 (3-5) 《核力與結合能》學案 1 核力與結合能 【知識要點】 一．核力與四種基本相互作用 1. 是萬有引力。 2. 是電磁力 ( 庫侖力是一種電磁力 ) 。在相同的距離上 , 這兩種力的強度差別很大。電磁力大約要比萬有引力強 1035 倍。 3. 核力： 把核子緊緊地束縛在核內 , 形成穩(wěn)定的原子核。 核力特點： （ 1）核力是強相互作用 ( 強力 ) 的一種表現(xiàn)。 （ 2）核力是短程力 , 作用范圍在 1.5 10 -15 m 之內。 （ 3）核力存在于核子之間

2、 , 每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用, 這種性質稱為核力 的飽和性。 (4) 核力具有電荷無關性。對給定的相對運動狀態(tài), 核力與核子電荷無關。 4. 弱相互作用 ( 弱力 ) , 弱相互作用是引起原子核 β衰變的原因 , 即引起中子轉變質子的原因。弱相互作用也是短程力 , 其力程比強力更短 , 為 10-18 m,作用強度則比電磁力小。 二．原子核中質子與中子的比例 隨著原子序數(shù)的增加 , 較輕的原子核質子數(shù)與中子數(shù)大致相等 , 但對于較重的原子核中子數(shù)大于質子數(shù) , 越重的元素 , 兩者相差越多。 提示： 從電磁力和核力的作用范圍去考慮。三．結合能

3、 1. 原子核的結合能： 當核子結合成原子核時要 放出 一定能量；原子核分解成核子時 , 要吸收 同樣的能量。這個能量叫做原子核的結合能 . 注意： 結合能并不是由于核子結合成原子核而 具有 的能量 , 而是為把核子分開而 需要 的能 量。 2. 原子核越大 , 它的結合能越高。 因此 , 有意義的是它的結合能與核子數(shù)之比 , 稱做 比 結合能 , 也叫平均結合能 。 原子核的穩(wěn)定性： 比結合能越大 , 表示原子核中核子結合得越牢固 , 原子核越穩(wěn)定 . 四．質量虧損 1. 愛因斯坦質能方程： E ＝ mc2 式中 , c 為真空中的光速

4、。 2. 質量虧損： 原子核的質量小于組成它的核子的質量之和, 這個現(xiàn)象稱為質量虧損 注意： 沒有違反質量守恒定律；減小的那部分質量 等于 γ 光子的動質量。 3. 核 反 應 中 由 于 質 量 虧 損 而 釋 放 的 能 量 ： △ E=△m c2 注意： 沒有違反能量守恒定律；減小的這部分能量 1 / 4 以γ 光子釋放出去 【典型例題】 例 1. 已知 1 個質子的質量 mp=1.007 277u,1 個中子的質量 mn=1.008 665u.氦核的質量為 4.001

5、509 u. 這里 u 表示原子質量單位 ,1 u=1.660 566 10-27 kg. 由上述數(shù)值 ,計算 2 個質子和 2 個中子結合成氦核時釋放的能量。 答案：（ 28.3MeV ） 【鞏固練習】 1．科學研究表明 , 自然界存在四種基本相互作用 , 我們知道分子之間也存在相互作用的引力和斥力 , 那么分子力實質上屬于 ( B ) A．引力相互作用 B．電磁相互作用 C．強相互作用和弱相互作用的共同作用 D．四種基本相互作用的共同作用 2．對核子結合成原子核的下列說法正確的是 ( CD )

6、 A．原子核內的核子間均存在核力 B．原子核內的質子間均存在核力和庫侖力 C．當 n 個核子靠近到核力作用的范圍而結合為原子核時 , 其間“勢能”一定減小D．對質子數(shù)較多的原子核 , 其中的中子起到增加核力、維系原子核穩(wěn)定的作用3．關于原子核中質子和中子的說法 , 正確的是 ( D ) A．原子核中質子數(shù)和中子數(shù)一定相等 B．穩(wěn)定的重原子核里 , 質子數(shù)比中子數(shù)多 C．原子核都是非常穩(wěn)定的 D．由于核力的作用范圍是有限的以及核力的飽和性 , 如果繼續(xù)增大原子核 , 形成的核也一定是不穩(wěn)定的 4．下列關于結合能和比結合能的說法中正確的是 ( D ) A．

7、核子結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合能B．比結合能越大的原子核越穩(wěn)定 , 因此它的結合能也一定越大C．重核與中等質量原子核相比較 , 重核的結合能和比結合能都大D．中等質量原子核的結合能和比結合能均比輕核的要大5．下列說法中正確的是 ( B ) A．愛因斯坦質能方程反映了物體的質量就是能量 , 它們之間可以相互轉化 2 B．由 E＝ mc 可知 , 能量與質量之間存在著正比關系 D．因在核反應中能產生能量 , 有質量的轉化 , 所以系統(tǒng)只有質量數(shù)守恒 , 系統(tǒng)的總能量和總質量并不守恒 6．對公式 2 ) E＝ mc 的正

8、確理解是 ( ABD A．如果物體的能量減少了 E, 它的質量也一定相應減少 m B．如果物體的質量增加了 , 它的能量也一定相應增加 2 m mc C． m是某原子核在衰變過程中增加的質量 D．在把核子結合成原子核時 , 若放出的能量是 , 則這些核子的質量和與組成原子核 m E 的質量之差就是 7．中子 n、質子 p、氘核 D 的質量分別為 m、 m、 m. 現(xiàn)用能量為 E 的 γ 射線照射靜止 n pD

9、 氘核使之分解 , 核反應方程為 γ ＋ D―→ p＋ n, 若分解后的中子、質子的動能可視為相等 , 則 2 / 4 中子的動能是 ( C ) 1 D－ p－ n) 2 A. [( － ] 2 m m m c E 1 p n D 2 B. 2[( m＋m－ m) c － E] 1 D p n 2 C. [( m－m－ m) c ＋

10、 E] 2 1 2 D. 2[( mp＋mn－ mD) c ＋ E] 8．原子質量單位為 u,1 u 相當于 931.5 MeV 的能量 , 真空中光速為 c. 當質量分別為 m1 kg 和 m kg 的原子核結合為質量為 Mkg 的原子核時 , 釋放出的能量是 ( C ) 2 A． ( M－ m1－ m2)u c2 J B． ( m1＋m2－ M)u 931.5 J C． ( m1＋m2－ M) c2 J

11、D． ( m1＋m2－ M) 931.5 eV 9．已知：氮核質量 MN＝ 14.007 53 u, 氧 17 核的質量為 MO＝17.004 54 u, 氦核質量 MHe ＝4.003 87 u, 氫核質量為 MH＝ 1.008 15 u. 14 4 17 1 試判斷： 7 N＋ 2He―→ 8 O＋1 H這一核反應吸收能量還是放出能量？能量變化多少？ 參考答案 1．選 B 分子力作用范圍約在 － 10 , 10 m 數(shù)量級上 , 強相互作用和弱相互作用都是短程力 作用范圍在

12、 10－15 m 和 10－18 m 之內 , 在這個距離上分子力不存在．在這個范圍內引力相互 作用和電磁相互作用都存在 , 但由于電磁力遠大于萬有引力 , 引力相互作用可以忽略不計 , 因 此分子力本質上屬于電磁相互作用．故正確答案為 B. 2．選 CD 由于核力為短程力 , 只會發(fā)生在相鄰核子之間 , 由此知 A、 B 錯誤；當 n 個核 子靠近到核力作用范圍內 , 而距離大于 0.8 10 － 15 m, 核力表現(xiàn)為引力 , 在此過程核力必做正 功, 其間勢能必定減小 , 形成原子核后距離一

13、般不小于 － 15 正確；對質子數(shù)較 0.8 10 m, 故 C 多的原子核 , 由于只有相鄰的質子間才有核力 , 但各個質子間均有很強的庫侖斥力 , 隨著質子 數(shù)的增加 , 其庫侖斥力增加 , 對于穩(wěn)定的原子核 , 必須存在較多的中子才能維系二者的平衡 , 故 D 正確． 3．選 D 較輕的原子核中質子數(shù)與中子數(shù)大致相等 , 但在重原子核內中子數(shù)多于質子 數(shù),A 、 B 錯．有些原子核是不穩(wěn)定的 , 如具有放射性的原子核 ,C 錯．由于核力是短程力及核 力的

14、飽和性 , 原子核增大到一定程度 , 即使能形成原子核 , 原子核也是不穩(wěn)定的．綜上所述 , 只有選項 D正確． 4．選 D 核子結合成原子核時放出能量 , 原子核拆解成核子時吸收能量 ,A 錯；比結合 能越大的原子核越穩(wěn)定 , 但比結合能越大的原子核 , 其結合能不一定大 , 例如中等質量原子核 的比結合能比重核大 , 但由于核子數(shù)比重核少 , 其結合能比重核小 ,B 、 C 錯；中等質量原子 核的比結合能比輕核的大 , 它的原子核內核子數(shù)又比輕核多 , 因此它的結合能也比輕核大

15、 ,D 正確． 5．選 B ＝ 2 說明能量和質量之間存在著聯(lián)系 , 即能量與質量之間存在著正比關系 , E mc 并不是說明了能量和質量之間存在相互轉化的關系 ,A 錯誤 ,B 正確．核反應中的“質量虧 3 / 4 損”并不是質量消失 , 實際上是由靜止的質量變成運動的質量 , 并不是質量轉變成能量 ,C 錯 誤．在核反應中 , 質量守恒 , 能量也守恒 , 在核反應前后只是能量

16、的存在方式不同 , 總能量不 變, 在核反應前后只是物質由靜質量變成動質量 ,D 錯誤．故正確答案為 B. 6．選 ABD 一定質量對應于一定的能量 , 物體的能量減少了 E, 它的質量也一定相應 減少 , 即發(fā)生質量虧損 , 所以選項 A、 D 正確．如果物體的質量增加了 , 它的能量一定 m m 相應增加 2 , 一定發(fā)生質量虧損 , 所以選項 C 錯 mc, 所以選項 B 正確．某原子核在衰變時 誤．

17、 7．選 C 核反應過程中釋放的能量 2 Dp n 2 , 質子和中子的總動能 E＝ mc＝ ( m－ m－ m) c 為 Ek ＝ E＋ E, 中子的動能是總動能的一半 , 故 C正確． 2 8．選 C 在核能計算時 , 如果質量單位是 kg, 則用 E＝ mc 進行計算 , 單位是 J；若 質量單位是 u, 則利用 E＝ m931.5 MeV 進行計算 , 則選項 C 正確．

18、 9．解析：反應前總質量： N＋ He＝ 18.011 40 u. M M 反應后總質量： MO＋ MH＝ 18.012 69 u. 可以看出：反應后總質量增加 , 故該反應是吸收能量的反應． 吸收的能量利用 E＝ 2 1 u, 就會釋放 931.5 MeV mc 來計算 , 若反應過程中質量虧損 的能量 , 故： E＝ (18.012 69 － 18.011 40) 931.5 MeV ≈ 1.2 MeV 答案：吸收能量 , 能量變化 1.2 MeV 4 / 4