核力與結合能【含答案解析】人教版【知識架構+對點訓練】 高二物理備課精研提升

5.3核力與結合能基礎導學要點一、核力與四種基本相互作用1．核力：原子核中的核子之間存在一種很強的相互作用，即存在一種核力，它使得核子緊密地結合在一起，形成穩(wěn)定的原子核．這種作用稱為強相互作用。2．強相互作用的特點(1)強相互作用是短程力，作用范圍只有約10－15m。(2)距離增大時，強相互作用急劇減小．超過10－15m，相互作用不存在。3．弱相互作用(1)弱相互作用是引起原子核β衰變的原因，即引起中子—質子轉變的原因。(2)弱相互作用是短程力，其力程只有10－18m。4．四種基本相互作用要點二、結合能與質量虧損（一）結合能1．結合能：原子核是核子憑借核力結合在一起構成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結合能。2．比結合能：原子核的結合能與核子數(shù)之比，叫作比結合能，也叫作平均結合能．比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定．中等大小的核的比結合能最大，最穩(wěn)定。（三）質量虧損1．質能方程：物體的能量與它的質量的關系是：E＝mc2。2．質量虧損：原子核的質量小于組成它的核子的質量之和的現(xiàn)象。要點突破突破一：四種基本相互作用在不同尺度上發(fā)揮作用(1)引力相互作用：引力主要在宏觀和宏觀尺度上“獨領風騷”。是引力使行星繞著恒星轉，并且聯(lián)系著星系團，決定著宇宙的現(xiàn)狀。萬有引力是長程力。(2)電磁相互作用：電磁力在原子核外，電磁力使電子不脫離原子核而形成原子，使原子結合成分子，使分子結合成液體和固體。(3)強力：即強相互作用，在原子核內，強力將核子束縛在一起，強力是短程力。(4)弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β衰變的原因，即引起中子—質子轉變的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強力更短，為10－18m，作用強度則比電磁力小。突破二：核力的性質(1)核力是四種相互作用中的強相互作用(強力)的一種表現(xiàn)。(2)核力是短程力。約在10－15m數(shù)量級時起作用，距離大于0.8×10－15m時為引力，距離小于0.8×10－15m時為斥力，距離為10×10－15m時核力幾乎消失。(3)核力具有飽和性。核子只對相鄰的少數(shù)核子產生較強的引力，而不是與核內所有核子發(fā)生作用。(4)核力具有電荷無關性。核力與核子電荷無關。突破三：原子核中質子與中子的比例關系(1)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，其中子數(shù)大于質子數(shù)，越重的原子核，兩者相差越多。(2)形成原因：①若質子與中子成對地人工構建原子核，隨原子核的增大，核子間的距離增大，核力和電磁力都會減小，但核力減小得更快。所以當原子核增大到一定程度時，相距較遠的質子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個原子核就不穩(wěn)定了。②若只增加中子，因為中子與其他核子沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)定，所以穩(wěn)定的重原子核中子數(shù)要比質子數(shù)多。③由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，若再增大原子核，一些核子間的距離會大到其間根本沒有核力的作用，這時候再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的。突破四：結合能和比結合能結合能把原子核分成核子時吸收的能量或核子結合成原子核時放出的能量比結合能等于原子核的結合能與原子核中核子個數(shù)的比值，它反映了原子核的穩(wěn)定程度比結合能曲線不同原子核的比結合能隨質量數(shù)變化圖線如圖所示從圖中可看出，中等大小的核的比結合能最大，輕核和重核的比結合能都比中等大小的核的比結合能要小2.質量虧損核能的計算（1）質量虧損Δm的理解：所謂質量虧損，并不是質量消失，而是減少的質量在核子結合成核的過程中以能量的形式輻射出去了。反過來，把原子核分裂成核子，總質量要增加，總能量也要增加，增加的能量要由外部供給。3．質能方程E＝mc2的理解(1)根據(jù)質能方程，物體的總能量與其質量成正比。物體質量增加，則總能量隨之增加；質量減少，總能量也隨之減少，這時質能方程也寫作ΔE＝Δmc2。(2)運用質能方程時應注意單位．一般情況下，公式中各量都應取國際單位制單位。但在微觀領域，用國際單位制單位往往比較麻煩，習慣上常用“原子質量單位”和“電子伏特”作為質量和能量的單位，1u對應931.5MeV能量。典例精析題型一：核力例一．下列的若干敘述中，正確的是（）A．玻爾根據(jù)光的波粒二象性，大膽提出假設，認為實物粒子也具有波動性B．由黑體輻射強度與波長的關系，溫度越高，輻射強度的極大值向波長較長的方向移C．將核子束縛在原子核內的核力，是不同于萬有引力和電磁力的另一種相互作用D．湯姆遜首先發(fā)現(xiàn)了電子，從而說明原子核內有復雜的結構【答案】C【分析】A．德布羅意根據(jù)光的波粒二象性，大膽提出假設，認為實物粒子也具有波動性，選項A錯誤；B．由黑體輻射強度與波長的關系，溫度越高，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，選項B錯誤；C．將核子束縛在原子核內的核力，是不同于萬有引力和電磁力的另一種相互作用，選項C正確；D．湯姆遜首先發(fā)現(xiàn)了電子，從而說明原子內有復雜的結構，選項D錯誤。故選C。變式遷移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，那么分子力實質上是屬于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【答案】B【分析】分子力作用范圍約在數(shù)量級上.強相互作用和弱相互作用都是短程力，作用范圍在和之內，在分子力作用范圍內強相互作用和弱相互作用都不存在，在分子力作用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.A．引力相互作用，與結論不相符，選項A錯誤；B．電磁相互作用，與結論相符，選項B正確；C．強相互作用和弱相互作用的共同作用，與結論不相符，選項C錯誤；D．四種基本相互作用的共同作用，與結論不相符，選項D錯誤；故選B.題型二：結合能與質量虧損例二．2021年5月28日，中科院合肥物質研究院的EAST裝置，首次使中國“人造太陽”等離子體的電子溫度達到1.2億度，維持了101秒。已知中國“人造太陽”中的核反應方程是，H的比結合能為1.09MeV，H的比結合能為2.78MeV，由此可知He的比結合能為（）A．7.03MeV B．5.56MeV C．4.36MeV D．3.87MeV【答案】A【分析】設He的比結合能為，根據(jù)放能的核反應發(fā)生規(guī)律是：生成物釋放的結合能與反應物吸收的結合能之差，有解得故選A。變式遷移2：下列說法中正確的是（）A．比結合能越大表示原子核中的核子結合得越牢固B．氫原子核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道時，電子的動能增大，原子總能量減小C．β射線為原子的核外電子電離后形成的電子流D．放射性元素衰變的快慢不僅與原子核內部自身的因素有關，還跟原子所處的化學狀態(tài)和外部條件有關【答案】A【分析】A．比結合能越大表示原子核中的核子結合得越牢固，原子越穩(wěn)定，選項A正確；B．氫原子核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道時，根據(jù)可知，電子的動能減小，原子能級變大，總能量變大，選項B錯誤；C．β射線為原子核內的中子轉化為質子時放出的負電子，選項C錯誤；D．放射性元素衰變的快慢僅與原子核內部自身的因素有關，跟原子所處的化學狀態(tài)和外部條件無關，選項D錯誤。故選A。強化訓練選擇題1．一靜止的鈾核放出一個α粒子衰變成釷核，衰變方程為→＋。下列說法正確的是（）A．衰變后釷核的動能等于α粒子的動能B．衰變后釷核的動量大小等于α粒子的動量大小C．鈾核的半衰期等于其放出一個α粒子所經歷的時間D．衰變后α粒子與釷核的質量之和等于衰變前鈾核的質量【答案】B【分析】B．衰變過程中滿足動量守恒定律，所以衰變后釷核的動量與α粒子的動量等大反向，故B正確；A．由動能和動量的關系式Ek＝mv2＝可知，由于釷核的質量大于α粒子的質量，所以釷核的動能小于α粒子的動能，故A錯誤；C．半衰期的定義是放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間，并不是其放出一個α粒子所經歷的時間，故C錯誤；D．由于該反應放出能量，所以一定會發(fā)生質量虧損，衰變后α粒子與釷核的質量之和小于衰變前鈾核的質量，故D錯誤。故選B。2．下列對物理知識的理解正確的有（）A．射線的穿透能力較弱，用厚紙板就能擋住B．動能相等的質子和電子，它們的德布羅意波長也相等C．放射性元素釙的半衰期為138天，的釙經276天，已發(fā)生衰變的質量為D．質子、中子、粒子的質量分別為、、，兩個質子和兩個中子結合成一個粒子釋放的能量是【答案】A【分析】A．射線在空氣中的射程只有幾厘米，只要一張紙就能擋住。故A正確；B．根據(jù)德布羅意波長計算表達式，有質子的質量大于電子的質量，當它們動能相等時，質子的動量大于電子，所以質子的德布羅意波長比電子小。故B錯誤；C．放射性元素釙的半衰期為138天，的釙經276天，發(fā)生兩次衰變，質量變?yōu)樵瓉淼乃姆种?，已發(fā)生衰變的質量為。故C錯誤；D．質子、中子、粒子的質量分別為、、，兩個質子和兩個中子結合成一個粒子釋放的能量是。故D錯誤。故選A。3、（多選）原子比結合能曲線如圖所示。根據(jù)該曲線，下列說法正確的有（）A．比結合能大于，所以可以裂變成而放出核能B．比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定C．比更穩(wěn)定，結合能更大D．平均核子質量小于【答案】BD【解析】A．比結合能大于，所以可以通過聚變成釋放能量，故A錯誤；B．比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，故B正確；C．比比結合能更大，更穩(wěn)定，但結合能小于結合能，故C錯誤；D．比結合能大，所以平均核子質量小，故D正確。故選BD。4、目前人類探索太空需要用核電池對探測器提供電能和熱能，某“核電池”是利用放射性元素钚238（）發(fā)生衰變釋放的能量工作，其衰變方程為，钚238的半衰期為88年，下列說法正確的是（）A．m=92，n=4，比的中子數(shù)多4B．的結合能小于與的結合能之和C．400個钚238經過176年還剩下100個D．若改變238钚的溫度、濃度及其所受的壓力，它的半衰期將會改變【答案】B【解析】A．與的中子數(shù)之差為A錯誤；B．衰變釋放能量，的結合能小于與的結合能之和，B正確；C．半衰期是統(tǒng)計規(guī)律，對少量不適用，C錯誤；D．半衰期與溫度、濃度及其所受的壓力無關，它的半衰期不會改變，D錯誤。故選B。5、2021年12月30日，中科院全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）在7000萬攝氏度的高溫下實現(xiàn)1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行。若某次聚變反應是4個氫核H結合成1個氦核He，同時釋放出正電子e。已知氫核的質量為mp，氦核的質量為mα，正電子的質量為me，真空中光速為c，則此次核反應釋放的能量為（）A．（4mp-mα-me）c2 B．（4mp-mα-2me）c2C．（4mp+mα-me）c2 D．（4mp+mα-2me）c2【答案】B【解析】核聚變方程為根據(jù)質能方程，可知核反應釋放的能量故選B。6、科學研究表明，香煙會釋放一種危險的放射性元素釙（），如果每天抽2包香煙，一年后累積的輻射量相當于400次胸透的輻射量。的半衰期是138天，可以連續(xù)發(fā)生一次α衰變和一次β衰變后產生新核X。下列說法正確的是（）A．制做香煙時可以通過升高溫度減小的半衰期，從而減小輻射對人體的傷害B．吸煙時因為發(fā)生化學反應，所以的半衰期會減小C．發(fā)生衰變時，會發(fā)生質量虧損D．新核X的中子數(shù)是206，電荷數(shù)是83【答案】C【解析】AB．半衰期是由原子核內部自身的因素決定的，與原子所處的化學狀態(tài)和外部條件沒有關系，AB錯誤；C．發(fā)生衰變時，會放出能量，根據(jù)質能方程可知有質量虧損，C正確；D．連續(xù)發(fā)生一次α衰變和一次β衰變后產生新核X的質量數(shù)為206，電荷數(shù)為83，則新核X的中子數(shù)為123，D錯誤。故選C。7、近代物理和相應技術的發(fā)展，極大地改變了人類的生產和生活方式推動了人類文明與進步。關于近代物理知識下列說法正確的是（）A．若氫原子從能級向能級躍遷時輻射出的光不能使某金屬發(fā)生光電效應，則氫原子從能級向能級躍遷時輻射出的光有可能使該金屬發(fā)生光電效應B．查德威克預言了中子的存在，盧瑟福通過實驗發(fā)現(xiàn)了中子C．玻爾理論成功解釋了大量原子光譜規(guī)律，其局限性在于保留了經典粒子的觀念D．釙（）是氡（）的衰變產物之一，故釙（）的比結合能大于氡（）的比結合能【答案】D【分析】A．氫原子從能級躍遷至時輻射的光子能量大于從躍遷至輻射的光子能量，故A錯；B．盧瑟福預言了中子的存在，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，故B錯；C．玻爾理論只成功解釋了氫原子光譜規(guī)律，故C錯；D．衰變產物新核更穩(wěn)定，比結合能更大，故D對。故選D。8、下列說法正確的是（）A．湯姆孫通過α粒子散射實驗，提出了原子具有核式結構B．一群處于n=4能級上的氫原子向低能級躍遷時最多產生4種譜線C．結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定D．在核反應中，質量數(shù)和電荷數(shù)都守恒【答案】D【分析】A．盧瑟福通過粒子散射實驗，提出了原子具有核式結構，故A錯誤；B．一群處于n=4能級上的氫原子向低能級躍遷時最多產生種譜線，故B錯誤；C．比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，故C錯誤；D．在核反應中，質量數(shù)和電荷數(shù)都守恒，故D正確。故選D。9、考古學上利用“碳鐘”，也就是利用來推測古文物產生的年代。已知的衰變產物中有穩(wěn)定的，的半衰期為年，下列說法正確的是（）A．的衰變方程為B．該衰變過程中原子核內減少一個中子C．一個核發(fā)生衰變釋放的核能為為原子的質量，為光速D．已經死亡年的古樹中不會含有原子【答案】B【解析】A．的衰變屬于衰變，其衰變方程為A錯誤；B．衰變的本質是該衰變過程中原子核內減少一個中子，新生成一個質子和一個電子，B正確；C．一個核發(fā)生衰變釋放的核能為，C錯誤；D．半衰期是放射性元素的特征參量，對于而言，年為兩個半衰期，已經死亡年的古樹遺骸中的含量為原來的，D錯誤。故選B。10、中國實驗快堆是第四代核能系統(tǒng)的優(yōu)選堆型，采用钚（）作燃料，在堆心燃料钚的外圍再生區(qū)里放置不易發(fā)生裂變的軸（），钚-239裂變釋放出的快中子被再生區(qū)內的鈾-238吸收，轉變?yōu)殁?239，鈾-239極不穩(wěn)定，經過衰變，進一步轉變?yōu)橐琢炎兊念?239，從而實現(xiàn)核燃料的“增殖”。下列說法正確的是（）A．鈾-239轉變?yōu)轭?239，經過了3次衰變B．鈾-239發(fā)生衰變過程中，電荷數(shù)守恒，質量也守恒C．鈾-239發(fā)生衰變的實質是原子核內的中子轉化為一個質子和一個電子D．钚（）裂變生成兩個中等質量的核，钚核的比結合能大于生成的兩個核的比結合能【答案】C【解析】A．鈾-239轉變?yōu)轭?239，質量數(shù)不變，電荷數(shù)增加，電荷增加2，則經過了2次衰變，選項A錯誤；B．鈾-239發(fā)生衰變過程中，電荷數(shù)守恒，質量數(shù)也守恒，由于反應放出能量，則由質量虧算，選項B錯誤；C．鈾-239發(fā)生衰變，實質是原子核內的中子轉化為一個質子和一個電子，選項C正確；D．钚（）裂變生成兩個中等質量的核，反應放出核能，生成的新核更加穩(wěn)定，則钚核的比結合能小于生成的兩個核的比結合能，選項D錯誤。故選C。11、運動的原子核X放出α粒子后變成靜止的原子核Y，已知原子核X、α粒子的質量分別是M、m，α粒子的動能為E，真空中的光速為c，α粒子的速度遠小于光速。則在上述核反應中的質量虧損是（）A． B．EC．E D．E【答案】B【分析】核反應中動量守恒，有mvα=MvXα粒子的動能為根據(jù)能量守恒得由愛因斯坦質能方程得聯(lián)立解得故選B。12、核能作為一種新能源在現(xiàn)代社會中已不可缺少．核泄漏中的钚是