5.3 核力与结合能-学案

5.3核力与结合能【学习目标】一、知识与技能1．知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用。2．知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小。3．理解结合能的概念，知道核反应中的质量亏损。4．知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系。二、过程与方法1．会根据质能方程和质量亏损的概念计算核反应中释放的核能。2．培养理解能力、推理能力、及数学计算能力。三、情感、态度与价值观1．树立起实践是检验真理的标准、科学理论对实践有着指导和预见作用的能力。2．认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义。【学习重点】质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解。【学习难点】结合能的概念、爱因斯坦的质能方程、质量与能量的关系。【学习过程】一、核力与四种基本相互作用1．核力：原子核里的________间存在着相互作用的核力，________把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。提问：那么核力有怎样特点呢？2．核力特点：（1）核力是______________________的一种表现。（2）核力是___________力，作用范围在________________m之内。（3）核力存在于______________之间，每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的_____________。（4）核力具有_______________。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。3．四种相互作用（1）_________________________。（2）_________________________。（3）_________________________。（4）_________________________。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________，也需要能量，这就是原子核的结合能。2．组成原子核的核子数越多，结合能_____________。3．比结合能：原子核的结合能与___________之比称为比结合能，也叫平均结合能。意义：它反映了一个原子核稳定程度。比结合能越大，原子核越_____________。三、质量亏损提问：计算一下方程左右的质量：0中子的质量=1.6749×10－27kg质子的质量=1.6726×10－27kg中子和质子的质量和=_____________________kg氘核的质量=3.3436×10-27kg计算得出质量差=_____________________kg1．质量亏损：原子核的质量_____________组成它的核子的质量之和。2．爱因斯坦的质能方程：________________。核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δ，正表明它们在互相结合过程中___________了能量。则：______________。【练习巩固】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、万有引力答案：D2．下列说法中正确的是（）A．原子核内的所有质子间都存在核力和库仑力B．对质子数较多的原子核，其中的中子起到维系原子核稳定的作用C．重核比中等质量的核更稳定D．两个质子之间不管距离如何，核力总大于库仑力答案：B3．下列说法正确的是（）A．自由核子结合成原子核时，一定遵循质量守恒B．在发生核反应时，反应前物质的总质量一定等于反应后所生成物质的总质量C．发生核反应时，反应前的总质量大于反应后的总质量，这个反应是放能反应D．发生核反应时，反应前的总质量大于反应后的总质量，这个反应必须吸收能量才能发生核反应答案：C4．下列说法中，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．核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变成为能量D．因在核反应中能产生能量，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答案：B5．关于质能方程，下列说法中正确的是（）A．质量减少，能量就会增加，在一定条件下质量转化为能量B．物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加一定值C．物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系D．某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的答案：BD6．太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026J，根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近（）A．1036kg B．1018kgC．1013kg D．109kg答案：D第五章3A组·基础达标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，则三种力从大到小的顺序是()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【答案】D【解析】核力是核子之间的一种强相互作用，其相互作用力巨大，远超过两个质子之间的库仑力，两质子之间的万有引力远小于库仑力，D正确．2．核子结合成原子核或原子核分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化，这是因为()A．原子核带正电，电子带负电，电荷间存在很大的库仑力B．核子具有质量且相距很近，存在很大的万有引力C．核子间存在着强大的核力D．核子间存在着复杂的磁力【答案】C【解析】核子之间存在核力作用，核子结合成原子核或原子核分解为核子时，就要克服核力作用，故伴随着巨大的能量变化，故选C．3．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，则下列说法中正确的是()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【答案】B【解析】由题目所给核反应方程式，根据核反应过程质量数、电荷数守恒规律，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．根据爱因斯坦的质能方程可知该反应释放能量，故B正确．4．当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时，放出28.30MeV的能量，当三个α粒子结合成一个碳核时，放出7.26MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量为()A．21.04MeV B．35.56MeVC．77.64MeV D．92.16MeV【答案】D【解析】6个中子和6个质子可结合成3个α粒子，放出能量3×28.30MeV＝84.9MeV,3个α粒子再结合成一个碳核，放出7.26MeV能量，故6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放能量为84.9MeV＋7.26MeV＝92.16MeV.5．(多选)关于原子核的结合能和比结合能，下列说法正确是()A．原子核的结合能等于核子与核子之间结合成原子核时，核力做的功B．原子核的结合能等于核子从原子核中分离，外力克服核力做的功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．不同原子核的比结合能不同，重核的比结合能比轻核的比结合能大【答案】ABC【解析】原子核中，核子与核子之间存在核力，要将核子从原子核中分离，需要外力克服核力做功．当自由核子结合成原子核时，核力将做功，释放能量．对某种原子核，原子核的结合能与核子数之比称为比结合能．不同原子核的比结合能不同，重核的比结合能比中等质量核的比结合能要小，轻核的比结合能比中等质量核的比结合能要小，综上所述，A、B、C正确．6．中子n、质子p、氘核D的质量分别为mn、mp、mD现用光子能量为E的γ射线照射静止氘核使之分解，反应方程为γ＋D→p＋n.若分解后的中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是()A．eq\f(1,2)[(mD－mp－mn)c2－E]B．eq\f(1,2)[(mp＋mn－mD)c2＋E]C．eq\f(1,2)[(mD－mp－mn)c2＋E]D．eq\f(1,2)[(mp＋mn－mD)c2－E]【答案】C【解析】核反应因质量亏损释放的核能ΔE＝(mD－mp－mn)c2，再加上原光子的能量也转化成动能，又两个粒子动能相等，所以有Ek＝eq\f(ΔE＋E,2)，C正确．7．(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粒子和另一原子核，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．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能【答案】ABC【解析】原子核分解成自由核子时，需要的最小能量就是原子核的结合能，A正确．重核衰变时释放能量，衰变产物更稳定，即衰变产物的比结合能更大，衰变前后核子数不变，所以衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，B正确．铯核的核子数比铅核的核子数少，其结合能也小，C正确．自由核子组成原子核时，需放出能量，因此质量亏损产生的能量小于原子核的结合能，D错误．8．(多选)关于质能方程，下列说法正确的是()A．质量减少，能量就会增加，在一定条件下质量转化为能量B．物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加一定值C．物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系D．一定量的质量总是与一定量的能量相联系的【答案】BD【解析】质能方程E＝mc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的；当物体获得一定的能量，即能量增加某一定值时，它的质量也相应增加一定值，并可根据ΔE＝Δmc2进行计算，B、D正确．9．(多选)铁核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．铀核发生核反应变成铁核的过程中要放出能量D．铀核发生核反应变成铁核的过程中质量要亏损【答案】BCD【解析】铁核的比结合能较大，则它稳定些，铀核的比结合能较小，变成铁核会放出核能，出现质量亏损；铁核的比结合能较大，铁核的结合能小于铀核的结合能，A错误；铁核比铀核稳定，与结论相符，B正确；铀核发生核反应变成铁核的过程中要放出能量，与结论相符，C正确；铀核发生核反应变成铁核的过程中质量要亏损，与结论相符，D正确．10．(多选)中子和质子结合成氘核时，质量亏损为Δm，相应的能量ΔE＝Δmc2＝2.2MeV是氘核的结合能．下列说法正确的是()A．用能量小于2.2MeV的光子照射静止氘核时，氘核不能分解为一个质子和一个中子B．用能量等于2.2MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零C．用能量大于2.2MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零D．用能量大于2.2MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和不为零【答案】AD【解析】氘核分解为一个质子和一个中子时，所需吸收的能量不能小于其结合能2.2MeV，故A正确；光子照射氘核时，光子和氘核组成的系统总动量不为零，由动量守恒定律得，光子被氘核吸收后，分解成的质子和中子的总动量不为零，总动能也不为零，所以把氘核分解为质子和中子所需的能量应大于2.2MeV，故D正确，B、C错误．B组·能力提升11．历史上第一次利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为0.5MeV的质子eq\o\al(1,1)H轰击静止的eq\o\al(A,Z)X，生成两个动能均为8.9MeV的eq\o\al(4,2)He.(1MeV＝1.6×10－13J)(1)上述核反应方程为__________________________．(2)上述反应中质量亏损为多少？【答案】(1)eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(7,3)X→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(4,2)He(或eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(7,3)Li→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(4,2)He)(2)解：设反应前质子的动能为Ek0，反应后eq\o\al(4,2)He的动能为Ek，由于质量亏损而释放的能量为ΔE＝2Ek－Ek0＝(2×8.9－0.5)MeV＝17.3MeV，根据爱因斯坦质能方程，有Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(17.3×1.