高中3 核力与结合能学案设计

这是一份高中3 核力与结合能学案设计，共8页。学案主要包含了核力与四种基本相互作用，结合能，质量亏损，核能的计算等内容，欢迎下载使用。


1.知道核力的概念、特点和四种基本相互作用.
2.了解结合能和比结合能的概念.
3.认识原子核的结合能及质量亏损，并能应用质能方程进行相关的计算．
一、核力与四种基本相互作用
1．核力
(1)核力是四种相互作用中的强相互作用(强力)的一种表现．
(2)核力是短程力，约在10－15 m 数量级时起作用，距离大于0.8×10－15 m时为引力，距离小于0.8×10－15 m时为斥力，距离超过1.5×10－15 m时核力几乎消失．
(3)核力具有饱和性，每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，而不是与核内所有核子发生作用．
2．强相互作用的特点
(1)强相互作用是短程力，作用范围只有约10－15 m.
(2)距离增大时，强相互作用急剧减小．超过10－15 m，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衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因．
(2)弱相互作用是短程力，其力程只有10－18 m.
4．四种基本相互作用
5．四种基本相互作用的作用尺度
(1)在原子核内，强相互作用将核子束缚在一起．
(2)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)万有引力主要作用于宏观和宇宙尺度上，是万有引力使行星绕着恒星运行，并且联系着星系团．
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．
2．比结合能
原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫作平均结合能．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．
3．结合能与比结合能的比较
三、质量亏损
1．质能方程
物体的能量与它的质量的关系是：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．质量亏损Δm的理解
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供给．
4．质能方程E＝mc2的理解
(1)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；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写作ΔE＝Δmc2.
(2)运用质能方程时应注意单位．一般情况下，公式中各量都应取国际单位制单位．但在微观领域，用国际单位制单位往往比较麻烦，习惯上常用“原子质量单位”和“电子伏特”作为质量和能量的单位，1 u对应931.5 MeV能量．
四、核能的计算
1．根据质量亏损计算
(1)根据核反应过程，计算核反应前和核反应后的质量亏损Δm.
(2)根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能．
①若Δm的单位是千克，则需要将c＝3×108 m/s代入，计算得到的ΔE的单位为焦耳．
②若Δm的单位是原子质量单位u，则可用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算，即用质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV.(1 u相当于931.5 MeV)
2．利用比结合能来计算核能
原子核的结合能＝核子的比结合能×核子数，核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的核能．
一、单选题
1．有关原子核方面的知识，下列说法正确的是（ ）
A．比结合能越大，原子核越稳定
B．若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减小
C．射线为原子的核外电子电离后形成的电子流
D．所有的核反应都存在质量亏损
2．图甲是氢原子的部分能级图，图乙是光电效应演示装置，装置中金属锌的逸出功为3.4eV。用大量从n=4能级跃迁到n=1能级时的氢原子发出的光去照射锌板，下列说法正确的的是（ ）
A．光电效应本质上是β衰变
B．锌板不会发生光电效应
C．发生光电效应时会发生质量亏损
D．从锌板打出来的光电子获得的最大初动能为9.35eV
3．下列说法正确的是（ ）
A．比结合能越大的原子核越不稳定
B．黑体辐射电磁波的强度与黑体温度无关
C．可以通过降低温度来减小放射性元素的半衰期
D．卢瑟福的原子核式结构模型无法解释原子光谱的分立特征
4．研究表明，中子（）发生β衰变后转化成质子和电子，同时放出质量可视为零的反中微子。在磁感应强度为B的匀强磁场中，一个静止的中子发生β衰变，放出的质子在与磁场垂直的平面内做匀速圆周运动，其动能为Ek。已知中子、质子、电子的质量分别为m1、m2、m3，元电荷为e，真空中光速为c，则下列说法正确的是（ ）
A．质子的动量大小为
B．中子衰变的核反应式为
C．电子和反中微子的总动能为（m2+m3–m1）c2–Ek
D．质子的圆周运动可等效成一个环形电流，其大小为
5．某放射性元素X的原子核发生了衰变，产生了新的元素Y原子核，同时放出光子，下列判断正确的是（ ）
A．Y比X原子序数小
B．Y原子核比X原子核核子平均质量小
C．X原子核放出射线，表明X原子核内有粒子
D．光子来自X原子核
6．关于原子核的结合能，下列说法中不正确的是（ ）
A．原子核的结合能越大，原子核中核子一定结合得越牢固，原子核就越稳定
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（）的结合能一定小于铅原子核（）的结合能
D．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
二、填空题
7．在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出，中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测。1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中的核反应，间接地证实了中微子的存在。
（1）中微子与水中的发生核反应，产生中子（）和正电子（），即中微子，可以判定中微子的质量数和电荷数分别是（______）
A．0和0 B．0和1 C．1和0 D．1和1
（2）上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子（γ），即。已知正电子和电子的质量都为9.1×10-31kg，反应中产生的每个光子的能量约为___________J（保留2位有效数字）。
8．一静止的氡核衰变为钋核和α粒子，其中、、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，设释放的核能全部转化钋核和α粒子的动能：
(1)写出衰变方程式______；
(2)求α粒子的动能______。
参考答案
1．A
【详解】
A．比结合能越大原子核越稳定，故A正确；
B．半衰期是由放射性元素本身决定的，压力、温度对放射性元素的半衰期没有影响，故B错误；
C．β射线的本质是原子核内部一个中子变成一个质子和电子产生的，故C错误；
D．放出能量的核反应存在质量亏损，吸收能量的核反应存在质量增加，故D错误。
故选A。
2．D
【详解】
A．根据光电效应的概念可知选项A错误；
B．氢原子从n=4能级跃迁到n=1能级时，辐射的光子能量为
ΔE=E4-E1=12.75eV>3.4eV
故锌板会发生光电效应，故选项B错误；
C．光电效应不是核反应，故不会出现质量亏损，故选项C错误；
D．根据爱因斯坦光电效应方程
D正确。
故选D。
3．D
【详解】
A．比结合能越大的原子核越稳定，A错误；
B．黑体辐射电磁波的强度与黑体温度有关，B错误
C．物理变化与化学变化过程都不会改变放射性元素的半衰期，C错误；
D．卢瑟福的原子核式结构模型无法解释原子光谱的分立特征，D正确。
故选D。
4．D
【详解】
A．质子的动量大小为，A错误；
B．根据核反应过程质量数，电荷数守恒定律可知，中子衰变的核反应式为
B错误；
C．电子和反中微子的总动能为（m2-m3–m1）c2–Ek，C错误；
D．质子的圆周运动可等效成一个环形电流，由洛伦兹力提供向心力，则有
， ，
联立解得
D正确。
故选D。
5．B
【详解】
A．发生了衰变，新核的质子数增加1，原子序数变大，A错误；
B．衰变过程放出能量，发生质量亏损，Y原子核比X原子核核子平均质量小，B正确；
C．射线是由原子核内的一个中子变成质子释放出来的，原子核内并没有粒子，C错误；
D．光子是由于衰变产生的新核不稳定释放出来的，即来自Y原子核，D错误。
故选B。
6．A
【详解】
A．原子核的比结合能越大，原子核中核子一定结合得越牢固，原子核就越稳定，A错误，符合题意；
B．重原子核衰变成α粒子和另一原子核的过程中放出能量，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，不符合题意；
C．铯原子核与原子核都是中等质量的原子核，铯原子核的比结合能比铅原子核的比结合能略大，而铅原子核中的核子数比铯原子核的核子数多一半，所以铯原子核的结合能一定小于铅原子核的结合能， C正确，不符合题意；
D．原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开，需要能量，这就是原子核的结合能，D正确，不符合题意。
故选A。
7．A 8.2×10-14
【详解】
(1)[1]根据质量数、电荷数守恒规律可知，中微子的质量数和电荷数分别是0和0，所以A正确；BCD错误；
故选A。
(2)[2]根据爱因斯坦的质能方程可得
每个光子的能量约为
8．或
【详解】
(1)[1]核反应方程满足质量数守恒与电荷数守恒，则衰变方程为
或
(2)[2]核反应过程中释放的核能为
衰变过程中动量守恒
根据可知
则α粒子的动能为
结合能
把原子核分成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量
比结合能
等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比值，它反映了原子核的稳定程度
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
从图中可看出，中等大小的核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等大小的核的比结合能要小