高中物理选修三 题库 第五章 第3节　核力与结合能

第3节核力与结合能[学习目标要求]1.了解四种基本相互作用，知道核力的特点。2.了解结合能和比结合能。3.知道质量亏损和质能方程。4.会用质能方程计算核能。一、核力与四种基本相互作用1.17世纪下半叶，牛顿发现了万有引力，引力是自然界的一种基本相互作用。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，这种相互作用称为电磁相互作用。3.核力(1)定义：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，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多。②核力是短程力，作用范围约10－15__m。4.四种基本相互作用二、结合能和质量亏损1.结合能和比结合能(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。(2)比结合能(平均结合能)：原子核的结合能与核子数之比称为比结合能。比结合能越大，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。2.质量亏损(1)爱因斯坦质能方程E＝mc2。(2)质量亏损：原子核的质量小于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ΔE＝Δmc2。3.比结合能应用前景(1)中等大小的核的比结合能最大，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，都将释放新的结合能。【判一判】(1)组成原子核的核子越多，它的结合能就越大。(√)(2)结合能越大，核子结合得越牢固，原子核越稳定。(×)(3)质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。(√)探究1核力与四种基本相互作用1.核力原子核里的核子间有一种相互作用，把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核，即核力。2.四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用(1)引力相互作用：引力主要在宏观和宇观尺度上“独领风骚”，引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系网，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。(3)强力：即强相互作用，在原子核内，强力将核子束缚在一起，强力是短程力。(4)弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β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。其力程比强力更短，为10－18m，作用强度则比电磁力小。【例1】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，核力表现为引力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答案B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，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，选项C错误；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，选项D错误。探究2结合能与原子核的稳定性1.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原子核的比结合能要小。2.比结合能曲线：不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图所示。3.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。【例2】(2021·湖北荆州市月考)原子核的比结合能如图所示。下列说法正确的是()A.eq\o\al(6,3)Li核比eq\o\al(4,2)He核更稳定B.eq\o\al(144,56)Ba核比eq\o\al(89,36)Kr核核子数多，比结合能大C.eq\o\al(235,92)U核比eq\o\al(144,56)Ba核结合能大，比结合能小D.两个eq\o\al(2,1)H核结合成eq\o\al(4,2)He核，需要吸收能量答案C解析比结合能越大，原子核越稳定，eq\o\al(4,2)He核比eq\o\al(6,3)Li核更稳定，故选项A错误；eq\o\al(144,56)Ba核比eq\o\al(89,36)Kr核核子数多，平均结合能小，故选项B错误；eq\o\al(235,92)U核比eq\o\al(144,56)Ba核核子数多，结合能大，比结核能小，故选项C正确；两个eq\o\al(2,1)H核结合成eq\o\al(4,2)He核，由比结合能小的反应生成比结合能大的，会释放大量能量，故选项D错误。【针对训练】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α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(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，原子核越不稳定答案C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A错误；原子核衰变成α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B错误；铯原子核的比结合能与铅原子核的比结合能差不多，而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C正确；比结合能越大，原子核越稳定，故D错误。探究3质量亏损和核能的计算1.质量亏损：所谓质量亏损，并不是质量消失，而是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提供。2.质能方程E＝mc2(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，E＝mc2，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；物体质量减少，总能量也随之减少，故质能方程也写成ΔE＝Δmc2。3.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。【例3】(2021·吉林长春市高二期末)关于质能方程，下列说法正确的是()A.有质量亏损的核反应一定是吸能反应B.核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变成了能量C.E＝mc2中的E是物体以光速c运动的动能D.由ΔE＝Δmc2，在核反应中，Δm为反应前后原子的静质量之差答案D解析根据质能方程ΔE＝Δmc2可知，有质量亏损，就是放能反应，故A错误；核反应过程中质量没有消失，只是以能量的形式体现，故B错误；爱因斯坦的质能方程E＝mc2，只是说明物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系，E并不是物体以光速c运动的动能，故C错误；根据质能方程ΔE＝Δmc2可知，在核反应中，Δm为反应前后原子的静质量之差，故D正确。【例4】一个静止的铀核eq\o\al(232,92)U(原子质量为232.0372u)放出一个α粒子(原子质量为4.0026u)后衰变成钍核Th(原子质量为228.0287u)。u为原子质量单位，1u相当于931.5MeV的能量。(1)写出核衰变反应方程式；(2)该反应中的质量亏损；(3)释放的核能。答案(1)eq\o\al(232,92)U→eq\o\al(228,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(2)0.0059u(3)5.5MeV解析(1)根据质量数守恒和电荷数守恒可知核反应方程式为eq\o\al(232,92)U→eq\o\al(228,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(2)质量亏损为Δm＝mU－mTh－mα＝(232.0372－228.0287－4.0026)u＝0.0059u(3)由质能方程可知释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.0059×931.5MeV＝5.5MeV1.(核力与四种基本相互作用)关于核力的说法正确的是()A.核力同万有引力没有区别，都是物体间的作用B.核力就是电磁力C.核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内D.核力与电荷有关答案C解析核力存在于核子之间，核力与万有引力、电磁力不同，故选项A、B错误；核力是短程力，超过1.5×10－15m，核力急剧下降几乎消失，故选项C正确；核力存在于核子之间，与电荷无关，故选项D错误。2．(结合能与质能方程)如图是各种元素的原子核中核子的平均质量与原子序数Z的关系图像，由此可知()A．若原子核D和E结合成原子核F，结合过程一定会释放能量B．若原子核D和E结合成原子核F，结合过程一定要吸收能量C．若原子核A分裂成原子核B和C，分裂过程一定会吸收能量D．若原子核A分裂成原子核B和C，分裂过程一定要吸收能量答案A解析D和E结合成F，核子平均质量减少，有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程可知，有能量释放，故A正确，B错误；若A分裂成B和C，核子平均质量减少，也有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程可知，有能量释放，故C、D错误。3.(质量亏损和核能)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。课时定时训练(限时35分钟)题组一核力和四种基本相互作用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D解析核子间的核力最大，万有引力最小，D项正确。2.下列对核力的认识正确的是()A.任何物体之间均存在核力B.核力广泛存在于自然界中的核子之间C.核力只存在于质子之间D.核力只发生在相距1.5×10－15m内的核子之间，大于0.8×10－15m为吸引力，而小于0.8×10－15m为斥力答案D解析由核力的特点知道，只有相距1.5×10－15m内的核子之间才存在核力，核力发生在质子与质子、质子与中子及中子与中子之间，由此知选项D正确，A、B、C错误。题组二结合能与原子核的稳定性3.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。4．对结合能、比结合能的认识，下列正确的是()A．一切原子核均具有结合能B．自由核子结合为原子核时，可能吸收能量C．结合能越大的原子核越稳定D．比结合能越小的原子核越稳定答案A解析由自由核子结合成原子核的过程中，核力做正功，释放出能量，反之，将原子核分开变为自由核子它需要赋予相应的能量，该能量即为结合能，故选项A正确，B错误；对核子较多的原子核的结合能越大，但它的比结合能不一定大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性，故选项C、D错误。题组三质量亏损和核能的计算5．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”是质量转变成了能量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，但并不能说明能量和质量之间存在相互转化的关系，故A错误，B正确；核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变成能量，故C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，在核反应前后只是物质由静质量变成动质量，故D错误。6．为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程E＝mc2，下列说法错误的是()A．E＝mc2定量地指出了物体具有的能量与其质量之间的关系B．根据ΔE＝Δmc2可以计算核反应中释放的核能C．一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损D．E＝mc2中的E是发生核反应中释放的核能答案D解析爱因斯坦质能方程E＝mc2定量地指出了物体具有的能量与其质量之间的关系，故A正确；由质能方程知，当物体的质量减少时，物体的能量减少，向外释放了能量；反之，若物体的质量增加了，则物体的能量增加，表明它从外界吸收了能量，所以由物体的质量变化能算出物体的能量变化，故B、C正确，D错误。7．一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出γ光子，核反应方程是eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(2,1)H＋γ，以下说法中正确的是()A．反应后氘核的质量一定大于反应前质子和中子的质量之和B．反应前后的质量数不变，因而质量不变C．反应前后质量数不变，没有质量亏损D．γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度答案D解析核反应中质量数、电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，由爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2可知，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，但质量数不变，且能量守恒，能量会以光子的形式向外释放，根据质能方程可知，γ光子的能量为Δmc2，故D正确，A、B、C错误。8.原子质量单位为u，1u相当于931.5MeV的能量，真空中光速为c，当质量分别为m1和m2的原子核结合为质量为M的原子核时释放出的能量是()A.(M－m1－m2)u·c2B.(m1＋m2－M)u×931.5JC.(m1＋m2－M)cD.(m1＋m2－M)×931.5MeV答案D解析核反应过程中，反应前后原子核的质量亏损为Δm＝(m1＋m2－M)u1u相当于931.5MeV的能量，故释放出的能量为ΔE＝Δm×931.5MeV＝(m1＋m2－M)×931.5MeV。9.在下列判断中，正确的是()A.组成eq\o\al(238,92)U核的核子中任何两个核子之间都存在不可忽略的核力作用B.组成eq\o\al(238,92)U核的中子中任何两个中子之间都存在不可忽略的核力作用C.组成eq\o\al(238,92)U核的质子中任何两个质子之间都存在不可忽略的库仑斥力作用D.组成eq\o\al(238,92)U核的质子中任何两个质子之间都存在不可忽略的核力作用答案C解析核力属于短程力，由于组成eq\o\al(238,92)U核的核子较多，两核子之间的距离可能超过核力的作用范围，所以某些核子之间的作用力可能比较小，故A、B、D错误；原子核中任何两质子之间都存在库仑斥力的作用，故C正确。10.(2021·济南市历城二中月考)在研究原子核的衰变过程中，发现U238发生衰变产生新核Th234，其衰变方程为eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(n,m)X，下列判断正确的是()A.该衰变类型为β衰变B.衰变方程满足质量数守恒，所以没有质量亏损C.eq\o\al(238,92)U核的结合能大于eq\o\al(234,90)Th核的结合能D.eq\o\al(238,92)U核的比结合能大于eq\o\al(234,90)Th核的比结合能答案C解析根据质量数守恒和电荷数守恒得衰变方程为eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He，该衰变为α衰变，A错误；衰变方程满足质量数守恒，但是该反应为放能反应，有质量亏损，B错误；eq\o\al(238,92)U核的核子数大于eq\o\al(234,90)Th核的核子数，所以eq\o\al(238,92)U核的结合能大于eq\o\al(234,90)Th核的结合能，C正确；衰变方程，是不稳定的核向稳定的核转变，而比结合能越大的原子核越稳定，所以eq\o\al(238,92)U核的比结合能小于eq\o\al(234,90)Th核的比结合能，D错误。11.(2021·河南驻马店市期末)1932年查德威克用α粒子(eq\o\al(4,2)He)轰击铍9(eq\o\al(9,4)Be)产生了一个新核X，并发现了中子，释放出γ光子。若α粒子、铍9(eq\o\al(9,4)Be)、新核X、中子的质量分别为m1、m2、m3、m4，光在真空中的传播速度大小为c，则下列说法正确的是()A.新核X的电荷数比铍9的电荷数多3B.新核X的中子数比铍9的中子数多3C.新核X的比结合能比铍9的比结合能大D.放出的γ光子的能量为(m4＋m3－m1－m2)c2答案C解析查德威克发现中子的核反应方程为eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n，新核X为eq\o\al(12,6)C，eq\o\al(12,6)C的电荷数比eq\o\al(9,4)Be的电荷数多2，A错误；eq\o\al(12,6)C的中子数为12－6＝6，eq\o\al(9,4)Be的中子数为9－4＝5，eq\o\al(12,6)C的中子数比eq\o\al(9,4)Be的中子数多6－5＝1，B错误；核反应后的产物比反应前的物质更稳定，比结合能更大，C正确；该核反应释放岀γ光子，说明核反应过程中发生质量亏损，γ光子的能量为ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，D错误。12.(2021·江苏常州市开学考)关于核反应方程eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋X，下列说法正确的是()A.此核反应一定会释放能量B.通过降低温度的方法，一定能缩短U的半衰期C.此核反应方程中的X代表的粒子为氢原子核D.铀核的比结合能大于钍核的比结合能答案A解析此核反应是α衰变方程，一定会释放能量，A正确；外部条件不能改变U的半衰期，B错误；此核反应方程中的X质量数为4，电荷数为2，则X代表的粒子为氦原子核，C错误；因反应释放能量，则铀核的比结合能小于钍核的比结合能，D错误。13.(2021