高中物理選修三 題庫 第五章 第3節　核力與結合能

第3節核力與結合能[學習目標要求]1.了解四種基本相互作用，知道核力的特點。2.了解結合能和比結合能。3.知道質量虧損和質能方程。4.會用質能方程計算核能。一、核力與四種基本相互作用1.17世紀下半葉，牛頓發現了萬有引力，引力是自然界的一種基本相互作用。2.19世紀后，人們認識到電荷間的相互作用、磁體間的相互作用，從本質上說是同一種相互作用的不同表現，這種相互作用稱為電磁相互作用。3.核力(1)定義：原子核內核子之間的相互作用力。(2)核力的特點①核力是強相互作用的一種表現，在原子核的尺度內，核力比庫侖力大得多。②核力是短程力，作用范圍約10－15__m。4.四種基本相互作用二、結合能和質量虧損1.結合能和比結合能(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(平均結合能)：原子核的結合能與核子數之比稱為比結合能。比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩定，中等大小的核的比結合能最大、最穩定。2.質量虧損(1)愛因斯坦質能方程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象。(3)核子在結合成原子核時出現的質量虧損Δm，與它們在互相結合過程中放出的能量ΔE的關系是ΔE＝Δmc2。3.比結合能應用前景(1)中等大小的核的比結合能最大，這些核最穩定。(2)使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成中等大小的核，都將釋放新的結合能。【判一判】(1)組成原子核的核子越多，它的結合能就越大。(√)(2)結合能越大，核子結合得越牢固，原子核越穩定。(×)(3)質量虧損表明，的確存在著原子核的結合能。(√)探究1核力與四種基本相互作用1.核力原子核里的核子間有一種相互作用，把核子緊緊地束縛在核內，形成穩定的原子核，即核力。2.四種基本相互作用在不同尺度上發揮作用(1)引力相互作用：引力主要在宏觀和宇觀尺度上“獨領風騷”，引力使行星繞著恒星轉，并且聯系著星系網，決定著宇宙的現狀。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。【例1】對于核力，以下說法正確的是()A．核力是弱相互作用，作用力很小B．核力是強相互作用的表現，是強力C．核子之間的距離小于0.8×10－15m時，核力表現為引力D．人們對核力的了解很清楚，特別是在小于0.8×10－15m時核力的變化規律更清楚答案B解析核力是強相互作用的一種表現，它的作用范圍在1.5×10－15m之內，核力比庫侖力大得多，選項B正確，A錯誤；核力在大于0.8×10－15m時表現為吸引力。且隨距離增大而減小；在距離小于0.8×10－15m時，核力表現為斥力，因此核子不會融合在一起，選項C錯誤；人們對核力的了解還不是很清楚，這是科學家們奮力攻克的堡壘，選項D錯誤。探究2結合能與原子核的穩定性1.中等質量原子核的比結合能最大，輕核和重核的比結合能都比中等質量原子核的比結合能要小。2.比結合能曲線：不同原子核的比結合能隨質量數變化圖線如圖所示。3.比結合能與原子核穩定的關系(1)比結合能的大小能夠反映原子核的穩定程度，比結合能越大，原子核就越難拆開，表示該原子核就越穩定。(2)核子數較小的輕核與核子數較大的重核，比結合能都比較小，表示原子核不太穩定；中等核子數的原子核，比結合能較大，表示原子核較穩定。(3)當比結合能較小的原子核轉化成比結合能較大的原子核時，就能釋放核能。例如，一個核子數較大的重核分裂成兩個核子數小一些的核，或者兩個核子數很小的輕核結合成一個核子數大一些的核，都能釋放出巨大的核能。【例2】(2021·湖北荊州市月考)原子核的比結合能如圖所示。下列說法正確的是()A.eq\o\al(6,3)Li核比eq\o\al(4,2)He核更穩定B.eq\o\al(144,56)Ba核比eq\o\al(89,36)Kr核核子數多，比結合能大C.eq\o\al(235,92)U核比eq\o\al(144,56)Ba核結合能大，比結合能小D.兩個eq\o\al(2,1)H核結合成eq\o\al(4,2)He核，需要吸收能量答案C解析比結合能越大，原子核越穩定，eq\o\al(4,2)He核比eq\o\al(6,3)Li核更穩定，故選項A錯誤；eq\o\al(144,56)Ba核比eq\o\al(89,36)Kr核核子數多，平均結合能小，故選項B錯誤；eq\o\al(235,92)U核比eq\o\al(144,56)Ba核核子數多，結合能大，比結核能小，故選項C正確；兩個eq\o\al(2,1)H核結合成eq\o\al(4,2)He核，由比結合能小的反應生成比結合能大的，會釋放大量能量，故選項D錯誤。【針對訓練】關于原子核的結合能，下列說法正確的是()A.原子核的比結合能等于將其完全分解成自由核子所需能量的最小值B.原子核衰變成α粒子和另一原子核，并釋放出能量，衰變產物的結合能之和一定小于原來原子核的結合能C.銫原子核(eq\o\al(133,55)Cs)的結合能小于鉛原子核(eq\o\al(208,82)Pb)的結合能D.比結合能越大，原子核越不穩定答案C解析原子核的結合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量，故A錯誤；原子核衰變成α粒子和另一原子核，要釋放能量，衰變產物的結合能之和一定大于原來原子核的結合能，故B錯誤；銫原子核的比結合能與鉛原子核的比結合能差不多，而銫原子核的核子數小于鉛原子核的核子數，故銫原子核的結合能小于鉛原子核的結合能，故C正確；比結合能越大，原子核越穩定，故D錯誤。探究3質量虧損和核能的計算1.質量虧損：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提供。2.質能方程E＝mc2(1)質能方程說明一定的質量總是跟一定的能量相聯系。具體地說，一定質量的物體所具有的總能量是一定的，E＝mc2，不是單指物體的動能、核能或其他哪一種能量，而是物體所具有的各種能量的總和。(2)根據質能方程，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；物體質量減少，總能量也隨之減少，故質能方程也寫成ΔE＝Δmc2。3.判斷核反應過程是釋放能量還是吸收能量的方法(1)根據反應前后質量的變化情況進行判斷，若質量減少即發生了質量虧損，則釋放能量；若質量增加，則吸收能量。(2)根據動能變化判斷，若不吸收光子而動能增加則放出能量。【例3】(2021·吉林長春市高二期末)關于質能方程，下列說法正確的是()A.有質量虧損的核反應一定是吸能反應B.核反應中發現的“質量虧損”是消失的質量轉變成了能量C.E＝mc2中的E是物體以光速c運動的動能D.由ΔE＝Δmc2，在核反應中，Δm為反應前后原子的靜質量之差答案D解析根據質能方程ΔE＝Δmc2可知，有質量虧損，就是放能反應，故A錯誤；核反應過程中質量沒有消失，只是以能量的形式體現，故B錯誤；愛因斯坦的質能方程E＝mc2，只是說明物體具有的能量與它的質量之間存在著簡單的正比關系，E并不是物體以光速c運動的動能，故C錯誤；根據質能方程ΔE＝Δmc2可知，在核反應中，Δm為反應前后原子的靜質量之差，故D正確。【例4】一個靜止的鈾核eq\o\al(232,92)U(原子質量為232.0372u)放出一個α粒子(原子質量為4.0026u)后衰變成釷核Th(原子質量為228.0287u)。u為原子質量單位，1u相當于931.5MeV的能量。(1)寫出核衰變反應方程式；(2)該反應中的質量虧損；(3)釋放的核能。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)根據質量數守恒和電荷數守恒可知核反應方程式為eq\o\al(232,92)U→eq\o\al(228,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(2)質量虧損為Δm＝mU－mTh－mα＝(232.0372－228.0287－4.0026)u＝0.0059u(3)由質能方程可知釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝0.0059×931.5MeV＝5.5MeV1.(核力與四種基本相互作用)關于核力的說法正確的是()A.核力同萬有引力沒有區別，都是物體間的作用B.核力就是電磁力C.核力是短程力，作用范圍在1.5×10－15m之內D.核力與電荷有關答案C解析核力存在于核子之間，核力與萬有引力、電磁力不同，故選項A、B錯誤；核力是短程力，超過1.5×10－15m，核力急劇下降幾乎消失，故選項C正確；核力存在于核子之間，與電荷無關，故選項D錯誤。2．(結合能與質能方程)如圖是各種元素的原子核中核子的平均質量與原子序數Z的關系圖像，由此可知()A．若原子核D和E結合成原子核F，結合過程一定會釋放能量B．若原子核D和E結合成原子核F，結合過程一定要吸收能量C．若原子核A分裂成原子核B和C，分裂過程一定會吸收能量D．若原子核A分裂成原子核B和C，分裂過程一定要吸收能量答案A解析D和E結合成F，核子平均質量減少，有質量虧損，根據愛因斯坦質能方程可知，有能量釋放，故A正確，B錯誤；若A分裂成B和C，核子平均質量減少，也有質量虧損，根據愛因斯坦質能方程可知，有能量釋放，故C、D錯誤。3.(質量虧損和核能)某核反應方程為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的質量為2.0136u，eq\o\al(3,1)H的質量為3.0180u，eq\o\al(4,2)He的質量為4.0026u，X的質量為1.0087u。則下列說法正確的是()A.X是質子，該反應釋放能量B.X是中子，該反應釋放能量C.X是質子，該反應吸收能量D.X是中子，該反應吸收能量答案B解析根據核反應過程質量數、電荷數守恒，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為中子，在該反應發生前反應物的總質量m1＝2.0136u＋3.0180u＝5.0316u，反應后產物總質量m2＝4.0026u＋1.0087u＝5.0113u。總質量減少，出現了質量虧損，故該反應釋放能量。課時定時訓練(限時35分鐘)題組一核力和四種基本相互作用1.氦原子核由兩個質子與兩個中子組成，這兩個質子之間存在著萬有引力、庫侖力和核力，則3種力從大到小的排列順序是()A.核力、萬有引力、庫侖力 B.萬有引力、庫侖力、核力C.庫侖力、核力、萬有引力 D.核力、庫侖力、萬有引力答案D解析核子間的核力最大，萬有引力最小，D項正確。2.下列對核力的認識正確的是()A.任何物體之間均存在核力B.核力廣泛存在于自然界中的核子之間C.核力只存在于質子之間D.核力只發生在相距1.5×10－15m內的核子之間，大于0.8×10－15m為吸引力，而小于0.8×10－15m為斥力答案D解析由核力的特點知道，只有相距1.5×10－15m內的核子之間才存在核力，核力發生在質子與質子、質子與中子及中子與中子之間，由此知選項D正確，A、B、C錯誤。題組二結合能與原子核的穩定性3.下列關于結合能和比結合能的說法正確的是()A.核子結合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量稱為結合能B.比結合能越大的原子核越穩定，因此它的結合能也一定越大C.重核與中等質量的原子核相比較，重核的結合能和比結合能都大D.中等質量原子核的結合能和比結合能均比輕核的要大答案D解析核子結合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，選項A錯誤；比結合能越大的原子核越穩定，但比結合能越大的原子核，其結合能不一定大，例如中等質量原子核的比結合能比重核大，但由于核子數比重核少，其結合能比重核小，選項B、C錯誤；中等質量原子核的比結合能比輕核的大，它的核子數又比輕核多，因此它的結合能也比輕核大，選項D正確。4．對結合能、比結合能的認識，下列正確的是()A．一切原子核均具有結合能B．自由核子結合為原子核時，可能吸收能量C．結合能越大的原子核越穩定D．比結合能越小的原子核越穩定答案A解析由自由核子結合成原子核的過程中，核力做正功，釋放出能量，反之，將原子核分開變為自由核子它需要賦予相應的能量，該能量即為結合能，故選項A正確，B錯誤；對核子較多的原子核的結合能越大，但它的比結合能不一定大，比結合能的大小反映了原子核的穩定性，故選項C、D錯誤。題組三質量虧損和核能的計算5．下列說法中正確的是()A．愛因斯坦質能方程反映了物體的質量就是能量，它們之間可以相互轉化B．由E＝mc2可知，能量與質量之間存在著正比關系，可以用物體的質量作為它所蘊藏的能量的量度C．核反應中發現的“質量虧損”是質量轉變成了能量D．因為在核反應中產生能量，有質量的轉化，所以系統只有質量數守恒，系統的總能量和總質量并不守恒答案B解析E＝mc2說明能量和質量之間存在著聯系，即能量與質量之間存在著正比關系，但并不能說明能量和質量之間存在相互轉化的關系，故A錯誤，B正確；核反應中的“質量虧損”并不是質量消失，實際上是由靜止的質量變成運動的質量，并不是質量轉變成能量，故C錯誤；在核反應中，質量守恒，能量也守恒，在核反應前后只是能量的存在方式不同，總能量不變，在核反應前后只是物質由靜質量變成動質量，故D錯誤。6．為紀念愛因斯坦對物理學的巨大貢獻，聯合國將2005年定為“國際物理年”。對于愛因斯坦提出的質能方程E＝mc2，下列說法錯誤的是()A．E＝mc2定量地指出了物體具有的能量與其質量之間的關系B．根據ΔE＝Δmc2可以計算核反應中釋放的核能C．一個中子和一個質子結合成氘核時，釋放出核能，表明此過程中出現了質量虧損D．E＝mc2中的E是發生核反應中釋放的核能答案D解析愛因斯坦質能方程E＝mc2定量地指出了物體具有的能量與其質量之間的關系，故A正確；由質能方程知，當物體的質量減少時，物體的能量減少，向外釋放了能量；反之，若物體的質量增加了，則物體的能量增加，表明它從外界吸收了能量，所以由物體的質量變化能算出物體的能量變化，故B、C正確，D錯誤。7．一個質子和一個中子結合成氘核，同時放出γ光子，核反應方程是eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(2,1)H＋γ，以下說法中正確的是()A．反應后氘核的質量一定大于反應前質子和中子的質量之和B．反應前后的質量數不變，因而質量不變C．反應前后質量數不變，沒有質量虧損D．γ光子的能量為Δmc2，Δm為反應中的質量虧損，c為光在真空中的速度答案D解析核反應中質量數、電荷數及能量均守恒，由于反應中要釋放核能，會出現質量虧損，由愛因斯坦質能方程ΔE＝Δmc2可知，反應中氘核的質量一定小于反應前質子和中子的質量之和，但質量數不變，且能量守恒，能量會以光子的形式向外釋放，根據質能方程可知，γ光子的能量為Δmc2，故D正確，A、B、C錯誤。8.原子質量單位為u，1u相當于931.5MeV的能量，真空中光速為c，當質量分別為m1和m2的原子核結合為質量為M的原子核時釋放出的能量是()A.(M－m1－m2)u·c2B.(m1＋m2－M)u×931.5JC.(m1＋m2－M)cD.(m1＋m2－M)×931.5MeV答案D解析核反應過程中，反應前后原子核的質量虧損為Δm＝(m1＋m2－M)u1u相當于931.5MeV的能量，故釋放出的能量為ΔE＝Δm×931.5MeV＝(m1＋m2－M)×931.5MeV。9.在下列判斷中，正確的是()A.組成eq\o\al(238,92)U核的核子中任何兩個核子之間都存在不可忽略的核力作用B.組成eq\o\al(238,92)U核的中子中任何兩個中子之間都存在不可忽略的核力作用C.組成eq\o\al(238,92)U核的質子中任何兩個質子之間都存在不可忽略的庫侖斥力作用D.組成eq\o\al(238,92)U核的質子中任何兩個質子之間都存在不可忽略的核力作用答案C解析核力屬于短程力，由于組成eq\o\al(238,92)U核的核子較多，兩核子之間的距離可能超過核力的作用范圍，所以某些核子之間的作用力可能比較小，故A、B、D錯誤；原子核中任何兩質子之間都存在庫侖斥力的作用，故C正確。10.(2021·濟南市歷城二中月考)在研究原子核的衰變過程中，發現U238發生衰變產生新核Th234，其衰變方程為eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(n,m)X，下列判斷正確的是()A.該衰變類型為β衰變B.衰變方程滿足質量數守恒，所以沒有質量虧損C.eq\o\al(238,92)U核的結合能大于eq\o\al(234,90)Th核的結合能D.eq\o\al(238,92)U核的比結合能大于eq\o\al(234,90)Th核的比結合能答案C解析根據質量數守恒和電荷數守恒得衰變方程為eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He，該衰變為α衰變，A錯誤；衰變方程滿足質量數守恒，但是該反應為放能反應，有質量虧損，B錯誤；eq\o\al(238,92)U核的核子數大于eq\o\al(234,90)Th核的核子數，所以eq\o\al(238,92)U核的結合能大于eq\o\al(234,90)Th核的結合能，C正確；衰變方程，是不穩定的核向穩定的核轉變，而比結合能越大的原子核越穩定，所以eq\o\al(238,92)U核的比結合能小于eq\o\al(234,90)Th核的比結合能，D錯誤。11.(2021·河南駐馬店市期末)1932年查德威克用α粒子(eq\o\al(4,2)He)轟擊鈹9(eq\o\al(9,4)Be)產生了一個新核X，并發現了中子，釋放出γ光子。若α粒子、鈹9(eq\o\al(9,4)Be)、新核X、中子的質量分別為m1、m2、m3、m4，光在真空中的傳播速度大小為c，則下列說法正確的是()A.新核X的電荷數比鈹9的電荷數多3B.新核X的中子數比鈹9的中子數多3C.新核X的比結合能比鈹9的比結合能大D.放出的γ光子的能量為(m4＋m3－m1－m2)c2答案C解析查德威克發現中子的核反應方程為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為eq\o\al(12,6)C，eq\o\al(12,6)C的電荷數比eq\o\al(9,4)Be的電荷數多2，A錯誤；eq\o\al(12,6)C的中子數為12－6＝6，eq\o\al(9,4)Be的中子數為9－4＝5，eq\o\al(12,6)C的中子數比eq\o\al(9,4)Be的中子數多6－5＝1，B錯誤；核反應后的產物比反應前的物質更穩定，比結合能更大，C正確；該核反應釋放岀γ光子，說明核反應過程中發生質量虧損，γ光子的能量為ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，D錯誤。12.(2021·江蘇常州市開學考)關于核反應方程eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋X，下列說法正確的是()A.此核反應一定會釋放能量B.通過降低溫度的方法，一定能縮短U的半衰期C.此核反應方程中的X代表的粒子為氫原子核D.鈾核的比結合能大于釷核的比結合能答案A解析此核反應是α衰變方程，一定會釋放能量，A正確；外部條件不能改變U的半衰期，B錯誤；此核反應方程中的X質量數為4，電荷數為2，則X代表的粒子為氦原子核，C錯誤；因反應釋放能量，則鈾核的比結合能小于釷核的比結合能，D錯誤。13.(2021