5.3核力与结合能 学案 高中物理人教版（2019）选择性必修第三册

5.3核力与结合能课前预习：一、核力与四种基本相互作用1．基本相互作用：17世纪下半叶，牛顿发现了万有引力，引力是自然界的一种。2．19世纪后，人们认识到电荷间的相互作用，磁体间的相互作用，从本质上说是同一种相互作用的不同表现，称为。3．核力(1)定义：原子核内之间的相互作用力。(2)核力的特点①核力是的一种表现，在原子核内，核力比库仑力大得多。②核力是短程力，作用范围在之内。4．四种基本相互作用二、结合能和质量亏损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，这就是原子核的结合能。2．比结合能(平均结合能)：原子核的结合能与之比称为比结合能。比结合能，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，的核的比结合能最大、最稳定。3．质量亏损(1)爱因斯坦质能方程。(2)质量亏损：原子核的质量组成它的核子的质量之和的现象。(3)核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm，与它们在互相结合过程中放出的能量ΔE的关系是。4．比结合能应用前景(1)中等大小的核的比结合能，这些核最稳定。(2)使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等大小的核，都将新的结合能。课堂练习：[思考判断](1)原子核中的质子是靠自身的万有引力聚在一起的。()(2)核力是强相互作用力，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多。()(3)弱相互作用的力程比强力更短。()(4)组成原子核的核子越多，它的结合能就越高。()(5)结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定。()(6)质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。()[例1](多选)对于核力，以下说法正确的是()A．核力是弱相互作用，作用力很小B．核力是强相互作用的表现，是强力C．核子之间的距离小于0.8×10－15m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起D．人们对核力的了解很清楚，特别是在小于0.8×10－15m时核力的变化规律更清楚[例2]下列关于结合能和比结合能的说法正确的是()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．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C．重核与中等质量的原子核相比较，重核的结合能和比结合能都大D．中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大[例3]下列有关质能方程的说法中，正确的是()A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所蕴藏的能量的量度C．核反应中发生的“质量亏损”是消失的质量转变为能量D．因为在核反应中产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒、系统的总能量和总质量并不守恒[例4]某核反应方程为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋X。已知eq\o\al(2,1)H的质量为2.0136u，eq\o\al(3,1)H的质量为3.0180u，eq\o\al(4,2)He的质量为4.0026u，X的质量为1.0087u。则下列说法正确的是()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[例5]一个锂核(eq\o\al(7,3)Li)受到一个质子的轰击，变成两个α粒子．已知质子的质量是1.6726×10－27kg，锂核的质量是11.6505×10－27kg，氦核的质量是6.6466×10－27kg，光速c＝3×108m/s。(1)写出上述核反应的方程；(2)计算上述核反应释放的能量。课后巩固：1．氦原子核由两个质子与两个中子组成，这两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则3种力从大到小的排列顺序是()A．核力、万有引力、库仑力 B．万有引力、库仑力、核力C．库仑力、核力、万有引力 D．核力、库仑力、万有引力2．(多选)核力具有下列哪些性质()A．核力是短程力，作用范围很小，只在相邻核子间发生B．核力是一种引力，核力把核子紧紧束缚在核内，形成稳定的原子核C．质子间、中子间、质子和中子之间都有核力D．核力是一种强相互作用力，在其作用范围内，核力比库仑力大得多3．(多选)关于原子核的结合能与比结合能，下列说法中正确的是()A．原子核的结合能等于核子与核子之间结合成原子核时，释放出来的能量B．比结合能越大的原子核越稳定C．比结合能是核子与核子结合成原子核时平均每个核子放出的能量D．结合能越大的原子核越稳定4．(多选)不同原子核的比结合能是不同的，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核的比结合能小，由此可以确定，核反应能释放大量核能的是()A．中等质量的原子核结合成质量较大的重核B．质量较大的重核分裂成中等质量的原子核C．中等质量的原子核分裂成质量较小的轻核D．质量较小的轻核结合成中等质量的原子核5．(多选)已经发现自然界存在四种相互作用，下列说法中，哪些是符合科学家的认识的()A．弹力应该归结为电磁力B．原子核内所有核子之间都存在核力的作用C．摩擦力是电磁力的一种表现形式D．电磁力是比万有引力更强的相互作用6．(多选)对公式ΔE＝Δmc2的正确理解是()A．如果物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少了ΔmB．如果物体的质量增加了Δm，它的能量也一定相应增加Δmc2C．Δm是某原子核在衰变过程中增加的质量D．核子结合成原子核时，若放出能量ΔE，这些核子与结合成的原子核的质量之差就是Δm7．如图是描述原子核核子的平均质量eq\x\to(m)与原子序数Z的关系曲线，下列说法正确的是()A．将原子核A分解为原子核B、C吸收能量B．将原子核D、E结合成原子核F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8．(多选)铁的比结合能比铀核的比结合能大，下列关于它们的说法正确的是()A．铁核的结合能大于铀核的结合能B．铁核比铀核稳定C．若铀核能发生核反应变成铁核，则要放出能量D．若铀核能发生核反应变成铁核，则发生质量亏损9．(多选)在某些恒星内，3个α粒子结合成1个C原子，C原子的质量是12.0000u，He核的质量是4.0026u．已知1u＝1.66×10－27kg，则()A．反应过程中的质量亏损是0.0078uB．反应过程中的质量亏损约为1.29×10－29kgC．反应过程中释放的能量约为7.26MeVD．反应过程中释放的能量约为1.16×10－19J10．(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(eq\o\al(133,

55)Cs)的结合能小于铅原子核(eq\o\al(208,

82)Pb)的结合能D．比结合能越大，原子核越不稳定11．一个铀核衰变为钍核时释放一个α粒子。在这个衰变过程中释放的能量等于多少焦耳？已知铀核的质量为3.853131×10－25kg，钍核的质量为3.786567×10－25kg，α粒子的质量为6.64672×10－27kg。12．eq\o\al(3,1)H的质量是3.016050u，质子的质量是1.007277u，中子的质量是1.008665u，1u相当于931.5MeV的能量，求：(计算结果保留三位有效数字)(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？(3)如果此能量是以光子形式放出的，则光子的频率是多少？5.3核力与结合能参考答案课前预习：1．基本相互作用：基本相互作用。2．电磁相互作用。3．核力(1)定义：核子(2)核力的特点①强相互作用②1.5×10－15__m二、结合能和质量亏损1．结合能和比结合能(1)结合能：能量(2)比结合能(平均结合能)：核子数越大中等大小2．质量亏损(1)E＝mc2(2)质量亏损：小于(3)ΔE＝Δm·c2。3．比结合能应用前景(1)最大(2)释放课堂练习：[思考判断](1)(×)(2)(√)(3)(√)(4)(√)(5)(×)(6)(√)[例1]答案BC解析核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围在1.5×10－15m之内，核力比库仑力大得多，因此，选项B正确，A错误；核力在大于0.8×10－15m时表现为吸引力。且随距离增大而减小；在距离小于0.8×10－15m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起，所以选项C正确；人们对核力的了解还不是很清楚，这是科学家们奋力攻克的堡垒，故选项D错误。[例2]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，选项A错误；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大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核小，选项B、C错误；中等质量原子核的比结合能比轻核的大，它的核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，选项D正确。[例3]答案B解析E＝mc2说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，但并不说明能量和质量之间存在相互转化的关系，故A项错误，B项正确；核反应中发生的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量突变成运动的质量，并不是质量转变成能量，故C项错误；在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，只是物质由静质量变成动质量，故D项错误．[例4]答案B解析根据核反应过程质量数、电荷数守恒，可得eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)X，X为中子，在该反应发生前反应物的总质量m1＝2.0136u＋3.0180u＝5.0316u，反应后产物总质量m2＝4.0026u＋1.0087u＝5.0113u。总质量减少，出现了质量亏损，故该反应释放能量。[例5]答案(1)eq\o\al(7,3)Li＋eq\o\al(1,1)H→2eq\o\al(4,2)He(2)2.691×10－12J解析(1)该核反应方程为eq\o\al(7,3)Li＋eq\o\al(1,1)H→2eq\o\al(4,2)He(2)核反应的质量亏损Δm＝mLi＋mp－2mα＝(11.6505×10－27＋1.6726×10－27－2×6.6466×10－27)kg＝2.99×10－29kg释放的能量ΔE＝Δmc2＝2.99×10－29×(3×108)2J＝2.691×10－12J.课后巩固：1．答案D解析核子间的核力最大，万有引力最小，D项正确。2．答案ACD解析核力作用的范围在1.5×10－15m之内，只在相邻核子间发生，是短程力，选项A正确；核力既能表现为引力，又能表现为斥力，选项B错误；核力是质子、中子之间的强相互作用力，在其作用范围内，比库仑力大得多，选项C、D正确。3．答案ABC4．答案BD解析两个中等质量的核结合成重核的过程，核子的比结合能减少，整个过程将要吸收能量，A项错误；质量较大的重核分裂成中等质量的原子核，是上述过程的逆过程，是放出能量的，B项正确；根据同样的方法，可知C项错误，D项正确．5．答案ACD解析电磁力是两个带电粒子或物体之间的相互作用力，力学中的弹力、摩擦力、浮力都属于电磁力，故A、C正确；核力是短程力，核力只存在于同一个原子核内的相邻的核子之间，故B错误；电磁力是比万有引力更强的相互作用，故D正确。6．答案ABD解析一定的质量对应一定的能量，物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少Δm，即发生质量亏损，所以选项A、D正确；如果物体的质量增加了Δm，它的能量也一定相应增加Δmc2，所以选项B正确；某原子核在衰变时，一定发生质量亏损，所以选项C错误．7．答案C解析因B、C核子平均质量小于A核子的平均质量，故A分解为B、C时，会出现质量亏损，故一定放出能量，A错误；同理可得B、D错误，C正确．8．答案BCD解析铁核的比结合能大，更稳定些，铀核比结合能小，发生核反应变成铁核会放出核能，出现质量亏损，B、C、D正确．铁核的结合能是小于铀核的结合能的，故A错误．9．答案ABC解析由题意可得核反应方程为3eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,

6)C＋ΔE，则核反应中的质量亏损为Δm＝(3×4.0026－12.0000)u＝0.0078u＝0.0078×1.66×10－27kg≈1.29×10－29kg，由质能方程得ΔE＝Δmc2＝1.29×10－29×(3×108)2J＝1.161×10－12J≈7.26MeV，故选A、B、C．10．答案ABC解析两个或几个自由状态的核子结合在一起时释放的能量或