高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册3 核力与结合能导学案

第五章原子核

第3节核力与结合能

【素养目标】

1.了解四种基本相互作用，知道核力的特点．

2．认识原子核的结合能及质量亏损，并能应用质能方程进行计算

3．能简单解释轻核和重核内中子数、质子数具有不同比例的原因

【必备知识】

知识点一、核力与四种基本相互作用

1．核力

原子核内核子之间的相互作用力．

2．核力的特点

(1)核力是强相互作用的一种表现，在原子核内，核力比库仑力大得多．

(2)核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内．

(3)核力的饱和性：每个核子只跟相邻的核子发生核力作用．

3．四种基本相互作用

引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用。

自然界中各种力都可以归结为这四种相互作用。

知识点二、结合能

1．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，这个能量也是核子结合成原子核而释放的能量。

2．比结合能

原子核的结合能与核子数之比，称作比结合能，也叫平均结合能．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．中等大小的核的比结合能最大，最稳定．

知识点三、质量亏损

（1）定义：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫质量亏损。

（2）应用：根据爱因斯坦质能方程E＝mc2.或E＝mc2计算原子核的结合能。，

（3）理解：不同原子核的比结合能不同，中等大小的核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。

【课堂检测】

1．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为，。方程式中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表（　　）

A．X是，Q2>Q1 B．X是，Q2<Q1 C．X是，Q2>Q1 D．X是，Q2<Q1

【答案】D

【详解】

AB．由核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒知，X是，故AB错误；

CD．前一核反应过程的质量亏损

而后一核反应的质量亏损

则Δm1>Δm2，故Q1>Q2

故C错误，D正确。

故选D。

2．关于原子和原子核，下列说法中正确的是（　　）

A．质子、中子、粒子的质量分别是m1、m2、m3，质子和中子结合成一个粒子，释放的能量是（m1+m2-m3）c2

B．根据玻尔理论可知，一个氢原子的电子从n=4能级向低鳍级跃迁最多可辐射6种频率的光子

C．已知的半衰期是24d，48g的经过72d，衰变42g

D．原子核的结合能是指组成原子核的所有核子所具有的能量之和

【答案】C

【详解】

A．根据爱因斯坦质能方程知，质子和中子结合成α粒子，核反应方程为

释放的能量是

A错误；

B．由玻尔理论可知，一个氢原子从n=4能级向低能级跃迁可能最多时路径为：n=4→3→2→1，可辐射3种频率的光子，B错误；

C．经过

即经过3个半衰期后，48g的还剩下

衰变了

C正确；

D．原子核的结合能是指组成原子核的所有核子结合成原子核时释放出来的能量，D错误。

故选C。

【素养作业】

1．用回旋加速器对质子加速，质子经加速后以Ek的动能轰击静止的锂原子核，其核反应方程为：。已知质子质量为m1，锂原子核的质量为m2，α粒子的质量为m3，光速为c。若核反应释放的能量全部转化为α粒子的动能，则两α粒子的总动能为（　　）

A．（m1＋m2－m3）c2＋Ek B．（m3－m1－m2）c2＋Ek

C．（m1＋m2－2m3）c2 D．（m1＋m2－2m3）c2＋Ek

【答案】D

【详解】根据质能方程，质子轰击锂原子释放的能量为

根据质子加速后的能量为Ek，则两α粒子的总动能E为

故有A、B、C错误，D正确；

故选D。

2．一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘和氚聚合成氦，并释放一个中子。已知氘核质量为2.0136u，氚核质量为3.0160u，氦核质量为4.0026u，中子质量为1.0087u，1u相当于931MeV。若建一座功率为3.0×105kW的核聚变电站，假设聚变所产生能量的50%转变为电能，则每年消耗的氘的质量约为（1年按3.2×107s计算，1MeV=1.6×10-13J）（　　）

A．23.4kg B．11.7kg C．35.1kg D．46.8kg

【答案】A

【详解】

由质能方程得

每年消耗的总能量可表示为Pt，每年消耗的氘的质量

A项正确，BCD项错误。

故选A。

3．太阳能量来源于太阳内部氢核的聚变，设某次聚变反应可以看作是4个氢核结合成1个氦核，同时释放出正电子。已知氢核的质量为mP，氦核的质量为mα，正电子的质量为me，真空中光速为c，则此次核反应释放的能量E等于（　　）

A．（4mP－mα－me）c2 B．（4mP－mα－2me）c2

C．（4mP+mα－me）c2 D．（4mP+mα－2me）c2

【答案】B

【详解】

根据氢核的聚变过程中，质量数和电荷数守恒可知其反应方程为

反应过程中的质量亏损为△m=4mp-mα-2me

导致反应后核子的平均质量小于反应前核子的平均质量，根据质能方程可得此次核反应释放的能量△E=（4mp-mα-2me）c2

故选B。

4．铀衰变成，氡核不稳定，会进一步衰变成，氡核半衰期为3.8天，下列说法正确的是（　　）

A．通过升高温度，可以缩短氡核的半衰期

B．的比结合能大于的比结合能

C．4个氡核经过3.8天后还剩下2个

D．铀衰变成要经历4次衰变和3次衰变

【答案】B

【详解】A．半衰期是放射性元素的固有属性，与所处的环境物理、化学状态无关，A错误；

B．衰变过程比结合能变大，故的比结合能大于的比结合能，B正确；

C．半衰期是大量放射性元素的统计规律，极个别原子核不存在半衰期的概念，C错误；

D．由于衰变质量数不变，故衰变的次数为

在衰变过程，电荷数减少8，故衰变次数为

D错误。

故选B。

5．原子核的比结合能与质量数之间的关系图线如图所示，下列判断中正确的有 （　　）

A．核比核更稳定

B．核的结合能约为7 MeV

C．三个中子和三个质子结合成核时要释放能量

D．在核反应 中，要吸收热量

【答案】C

【详解】A．平均结合能越大的原子核越稳定，分析图象可知，核比核更稳定，故A错误；

B．核的结合能约为 ，故B错误；

C．三个中子和三个质子结合成核时，平均核子质量减小，要释放能量，故C正确；

D．在核反应 中，存在质量亏损，释放能量，故D错误。

故选C。

6．下列说法正确的是（　　）

A．结合能是指由于核子结合成原子核而具有的能量

B．衰变现象说明电子是原子核的组成成分

C．用加温、加压或改变其化学状态的方法都不能改变原子核衰变的半衰期

D．常用核反应原料铀可以衰变为氡，要经过4次衰变和1次衰变

【答案】C

【详解】A．结合能是指把核子分开而需要的能量，故A错误。

B．衰变现象是指原子核内的一个中子转化为一个质子和一个电子，原子核内没有电子，故B错误。

C．半衰期是由核内部自身因素决定的，跟原子所处的物理化学状态及外部条件无关，故C正确。

D．根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，衰变为，要经过4次衰变和2次衰变，故D错误。

故选C。

7．一般理论认为恒星释放的能量来自于核聚变反应，恒星内部的高温使原子核高速运动诱发聚变反应。两个氘核的聚变反应方程为，其中氘核的质量为2.0130u，X核的质量为3.0150u，中子的质量为1.0087u，1u相当于931.5MeV，在两个氘核以相等的动能0.50MeV进行对心碰撞，并且核能全部转化为产生粒子的动能的情况下，下列说法正确的是（　　）

A．X为原子核

B．反应后X与中子的速率相等

C．反应前核子的比结合能大于反应后核子的比结合能

D．X原子核的动能为0.79MeV

【答案】D

【详解】A．根据核反应质量数守恒和电荷数守恒可得X为原子核，A错误；

B．反应前后动量守恒，总动量为零，则反应后X原子核与中子的动量大小相等，方向相反，中子质量小，则速率大，B错误；

C．该反应过程中质量亏损为

释放的核能为

该核反应为聚变反应，说明X原子核比核稳定，则核的比结合能小于X原子核的比结合能，故C错误；

D．反应后粒子的总动能为

反应前后总动量均为零，X原子核与中子的动量等大反向，由

得

则

D正确。

故选D。

8．科学家发现太阳的核聚变反应区只是中心很小的一部分，由于太阳强大的引力和磁场的束缚，使太阳内部的能量可以向外持续稳定地释放，而不会像氢弹那样瞬间爆炸，这就是可控核聚变技术的由来。太阳内部核聚变反应的一种可能形式为，设、X和的质量分别为m1、m2、m3和m4，光速为c，则下列说法正确的是（　　）

A．X是

B．该核反应释放的核能为（m3+m4-m1-m2）c2

C．核反应中比结合能较小的原子核变成了比结合能较大的原子核

D．核反应中核子平均质量较小的原子核变成了核子平均质量较大的原子核

【答案】C

【详解】A．根据质量数和电荷数守恒得，X应为，故A项错误；

B．根据质能亏损方程得，该核反应释放的核能为，故B项错误；

CD．该核反应中生成的新核核子平均质量变小，新核的比结合能变大，故C项正确，D项错误。

故选C。