2013-2014学年高二物理(人教版)选修3-5精品练案19.5核力与结合能(含解析)

第十九章原子核19.5核力与结合能【自主预习】1.核力是存在于原子核里的________的相互作用，核力有以下特点：(1)核力是________相互作用(________)的一种表现。在原子核的尺度内，核力比库仑力________得多；(2)核力是短程力，作用范围在________m之内。(3)每个核子________的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性。2．原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的________。原子核的结合能与核子数之比，称做________，也叫平均结合能。比结合能越大，原子核中核子结合得越________，原子核越________。3．物体的能量与它的质量之间的关系，即________。4．原子核的质量________组成它的核子的质量之和，这个现象叫做质量亏损。质量亏损表明，的确存在着原子核的________。5．核能的计算方法总结核能的计算是原子物理的重要方面和高考的热点问题，其计算的基本方法是：（1）．根据质量亏损计算，步骤如下：①根据核反应方程，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E＝mc2或ΔE＝Δmc2计算核能。③计算过程中Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳。（2）．利用原子单位u和电子伏计算。①明确原子单位u和电子伏特间的关系因1u＝1.6606×10－27kg则E＝mc2＝1.6606×10－27×(3.0×108)2J＝1.494×10－10J又1eV＝1.6×10－19J则E＝1.494×10－10J＝931.5MeV②根据1原子质量单位(u)相当于931.5MeV能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5MeV。③上式中，Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV。（3）．利用平均结合能来计算核能原子核的结合能＝核子的平均结合核能×核子数。（4）．根据能量守恒和动量守恒来计算核能（5）．应用阿伏加德罗常数计算核能【典型例题】一、核力与四种基本相互作用【例1】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之内选修3-5D．核力与电荷有关【例2】．下列关于对核力的认识，正确的是()A．核力是强相互作用的一种表现，比库仑力大得多B．核力存在于质子和中子、中子和中子之间，质子和质子之间只有库仑斥力C．核力是核子间相互吸引的力，是短程力D．核力只存在于相邻的核子之间，具有饱和性二、结合能与质量亏损【例3】中子n、质子p、氘核D的质量分别为mn、mp、mD。现用能量为E的γ射线照射静止的氘核使之分解，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.12[(mD－mp－mn)c2－E]B.12[(mp＋mn－mD)c2－E]C.12[(mD－mp－mn)c2＋E]D.12[(mp＋mn－mD)c2＋E]【例4】．17．为了确定爱因斯坦质能方程ΔE＝mc2的正确性，设计了如下实验：用动能为E1＝0.6MeV的质子轰击静止的锂核73Li，生成两个α粒子的动能之和为E2＝19.9MeV。(1)写出该核反应方程；(2)通过计算说明ΔE＝Δmc2正确。(已知质子mp＝1.0073u，α粒子mα＝4.0015u，锂核mLi＝7.0160u)【例5】已知Po原子核的质量为209.98287u，Pb原子核的质量为205.97446u，He原子核的质量为4.00260u，静止的Po核在α衰变中放出α粒子后变成Pb，求：(1)衰变过程中释放的能量；(2)α粒子从Po核中射出时的动能；(3)反冲核的动能(已知1u相当于931.5MeV，且核反应释放的能量只转化为动能。)【课后练习】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2．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3．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4．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5．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6．[2010年北京理综]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．1036kgB．1018kgC．1013kgD．109kg7．一个电子(质量为m、电荷量为－e)和一个正电子(质量为m、电荷量为e)，以相等的初动能Ek相向运动，并撞到一起，发生“湮灭”，产生两个频率相同的光子，设产生光子的频率为ν，若这两个光子的能量都为hν，动量分别为p和p′，下面关系中正确的是()A．hν＝mc2，p＝p′B．hν＝12mc2，p＝p′C．hν＝mc2＋Ek，p＝－p′D．hν＝12(mc2＋Ek)，p＝－p′8．质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3，真空中光速为c，当质子和中子结合成氘核时，放出的能量是()A．m3c2B．(m1＋m2)c2C．(m3－m2－m1)c2D．(m1＋m2－m3)c29．以mD、mp、mn分别表示氘核、质子、中子的质量，则()A．mD＝mp＋mnB．mD＝mp＋2mnC．mn＞mp＋mnD．mD＜mp＋mn10．某核反应方程为21H＋31H→42He＋X。已知21H的质量为2.0136u，31H的质量为3.0180u，42He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11．已知质子的质量是1.008665u、中子的质量也是1.008665u，氢原子的质量是1.007825u，碳原子的原子量是12.000000u,12个核子结合成碳原子核时，质量亏损是________，碳原子核的比结合能是________。12．α粒子的质量mα＝6.6467×10－27kg，质子的质量mp＝1.6726×10－27kg，中子的质量mn＝1.6749×10－27kg。求α粒子(氦核)的比结合能。例题答案：1.【答案】C【解析】核力是短程力，超过1.5×10－15m，核力急剧下降几乎消失，故C对。核力与万有引力、电磁力不同，故A、B不对。核力与电荷无关，故D错。2.解析：在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多，但当原子核大到一定程度时，核力将不足以平衡库仑力，A错误；相邻核子间都存在核力作用，B错误，D正确；核子间的距离小于0.8×10－15m时，核力表现为斥力，大于0.8×10－15m时表现为吸引力，C错误。答案：D3.【答案】C【解析】核反应过程中的质量亏损：Δm＝mD－mp－mn核反应过程中释放的能量：ΔE＝Δmc2＝(mD－mp－mn)c2质子和中子的总动能为Ek＝ΔE＋E中子的动能是总动能的一半，故选项C是正确的。4.解析：(1)73Li＋11H→42He＋42He(2)核反应的质量亏损为Δm＝mLi＋mp－2mα＝(7.0160＋1.0073－2×4.0015)u＝0.0203u由质能方程可知，与质量亏损相当的能量为ΔE＝Δmc2＝0.0203×931.5MeV＝18.9MeV而系统增加的能量为ΔE′＝E2－E1＝19.3MeV这些能量正是来自核反应中，在误差允许的范围内视为相等，所以ΔE＝Δmc2正确。答案：(1)73Li＋11H→42He＋42He(2)见解析5.【答案】(1)5.412MeV(2)5.31MeV(3)0.10MeV【解析】(1)衰变过程为21084Po―→20682Pb＋42He衰变过程中质量亏损为Δm＝(209.98287－205.97446－4.00260)u＝0.00581u衰变过程中释放的能量为ΔE＝0.00581×931MeV≈5.41MeV。(2)衰变前后动量守恒，则衰变后α粒子和铅核的动量大小相等，方向相反由pα＝pPb及Ek＝p22m，得EkαEkPb＝mPbmα又因核反应释放的能量只转化为两者的动能，故Ekα＋EkPb＝ΔE＝5.41MeV解得α粒子从钋核中射出时的动能Ekα≈5.31MeV。(3)反冲核的动能EkPb≈0.10MeV。课后练习答案：1.解析：核力是强相互作用力，氦原子核内的2个质子是靠核力结合在一起的，可见核力远大于库仑力；微观粒子的质量非常小，万有引力小于库仑力，故D选项正确。答案：D2.解析：只有相邻质子间才存在核力，A、D错误；中子与其他核子间没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，起到维系原子核稳定的作用，B正确；中等质量大小的核最稳定，C错误。答案：B3.解析：核反应过程满足电荷数守恒和质量数守恒，其中质量数守恒并不是质量守恒。核反应过程中往往伴随着质量亏损，并有能量变化。若反应后质量减小，则释放出能量，反之则吸收能量，所以C选项正确。答案：C4.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，并不是说明了能量与质量之间存在相互转化的关系。故A项错误，而B项正确；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项错误；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。答案：B5.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，所以B、D正确。答案：B、D6.解析：根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，得Δm＝ΔEc2＝4×1026(3×108)2kg≈109kg。答案：D7.解析：能量守恒和动量守恒为普适定律，故以相等动能相向运动发生碰撞而湮灭的正负电子总能量为：2Ek＋2mc2，化为两个光子后，总动量守恒且为零，故p＝－p′，且2Ek＋2mc2＝2hν，即hν＝Ek＋mc2。答案：C8.解析：质子和中子结合成氘核时，总质量减小了，即质量亏损Δm＝m1＋m2－m3。依据质能方程可知，放出的能量为ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3)c2。答案：D9.解析：质子和中子生成氘核，要放出能量，核反应方程为：11p＋10n―→21H，由爱因斯坦质能方程可知有能量的放出一定有质量的减少，所以mp＋mn＞mD，D选项正确。答案：D10.解析：根据核反应过程中质量数、电荷数守恒规律，可得21H＋31H→42He＋10X，即X为中子；在该反应发生前，反应物的总质量m1＝(2.0136＋3.0180)u＝5.0316u，反应后产物总质量m2＝(4.0026＋1.0087)u＝5.0113u，总质量减少，出现了质量亏损，故该反应释