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第四节核力与结合能1．知道核力及其性质．2．知道重核和轻核，能简单解释重核和轻核内的中子数、质子数具有不同比例的原因．3．认识原子核的结合能及平均结合能．氦原子核中有两个质子，质子质量为mp＝1.67×10－27kg，带电量为元电荷e＝1.6×10－19C，原子核的直径的数量级为10－15m，那么两个质子之间的库仑斥力与万有引力两者相差1036倍．在原子核那样狭小的空间里，带正电的质子之间的库仑斥力为万有引力的1036倍，那么质子为什么能挤在一起而不飞散？会不会在原子核中有一种过去不知道的力，把核子束缚在一起了呢？一、核力及其性质1．组成原子核的核子间有很强的作用力，使核子能够克服________而紧密地结合在一起，这种力称为核力．2．核力是一种很强的力，在约____________________________的距离内主要表现为________．大于________________核力就迅速减小到零，所以核力是一种________，在小于____________的距离内，核力又转变为强大的斥力而使核子不融合在一起．库仑斥力0.5×10－15m0.5×10－15m～2×10－15m引力2×10－15m短程力二、重核与轻核原子核中的质子数又称为________，它与元素周期表中元素的排列序号一致．2．元素周期表中，排在比较靠前的叫________，一般________的质子和中子数相等；比较靠后的叫________，大多数________的质子数小于中子数，排在________号元素之后的原子核都不稳定，排在第________号元素之后的原子核十分不稳定，无法在自然状态下存在．原子序数92轻核轻核重核重核83三、结合能1．把________________所吸收的能量，或者________________时放出的能量叫做原子核的结合能．2．核子结合成原子核时，反应前后存在________亏损，亏损的________与反应中释放的能量相对应，其关系遵循爱因斯坦的质能方程：______________3．原子核的________与________之比称为该原子核的比结合能，也叫平均结合能．核子结合成原子核原子核拆散成核子ΔE＝Δmc2质量质量核子数结合能核力及其性质核力是组成原子核的核子间很强的作用力，使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起．核力有完全不同于静电力和万有引力的一些性质：(1)核力是强相互作用(强力)的一种表现，比静电力大得多．(2)核力是一种短程力，在约0.5×10－15～2×10－15m的距离内主要表现为引力；在小于0.5×10－15m的距离内，核力又转变为强大的斥力；使核子不融合在一起．大于2×10－15m核力就迅速减小到零．(3)核力存在于核子之间，每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性．(4)核力与电荷无关，在原子核中，质子与质子，中子与中子，中子与质子之间的核力相同．除核力外，核物理学家还在原子核内发现了自然界的第四种相互作用——弱相互作用(弱力)，弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子转变成质子的原因．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．弱力、强力、电磁力和引力分别在不同的尺度上发挥作用：(1)弱力(弱相互作用)：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因→短程力．(2)强力(强相互作用)：在原子核内，强力将核子束缚在一起→短程力．(3)电磁力：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→长程力．(4)引力：引力主要在宏观和宇观尺度上“独领风骚”．是引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状→长程力．(双选）下列关于核力的说法中正确的是()A．核力存于任何核子之间B．核力只存在于相邻的核子之间C．核力是一种短程的强作用力D．核力与万有引力性质相同解析：核力是强作用力、短程力，只存在于相邻的核子间，A错误，B、C正确；而核力与万有引力是不同性质的力，D错误．答案：BC课堂训练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2.0×10－15m之内D．核力与电荷有关解析：核力是短程力，超过2.0×10－15m，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，所以选C.答案：C结合能的理解由于核子间存在着强大的核力，原子核是一个坚固的集合体．要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，需要巨大的能量．要把原子核分开成核子要吸收能量，核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫做原子核的结合能．原子核越大，它的结合能越高，因此有意义的是它的结合能与核子数之比，叫平均结合能．平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定．核子数较少的轻核和核子数较多的重核，平均结合能都比较少，中等核子数的原子核的平均结合能较大．下列说法中正确的是()A．核子结合成原子核要吸收能量B．原子核拆解成核子要放出能量C．核子结合成原子核放出的能量或原子核拆解成核子吸收的能量称为结合能D．核子数越多，原子核越稳定解析：把原子核分开成核子要吸收能量，核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫做原子核的结合能．A、B错误，C正确．核子数较少的轻核和核子数较多的重核，平均结合能都比较少，中等核子数的原子核的平均结合能较大，D错误．答案：C课堂训练2．下列说法中正确的是()A．结合能越大的原子核越稳定B．结合能越大的原子核越不稳定C．平均结合能越大，原子核越稳定D．平均结合能越大，原子核的结合能越大解析：原子核越大，它的结合能越高，有意义的是它的结合能与核子数之比，叫平均结合能．平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，A、B错误，C正确．平均结合能越大，原子核的结合能不一定越大，D错误．答案：C质量亏损及质能方程在核反应中原子核的总质量并不相等，反应前后存在质量差，这种现象叫做质量亏损，质量亏损只有在核反应中才能明显表现出来．爱因斯坦在相对论指出，物体的能量(E)和质量(m)之间存在着密切的关系，关系遵循质能方程E＝mc2，式中c为真空中的光速．爱因斯坦质能方程表明物体所具有的能量跟它的质量成正比．由于c2这个数值十分巨大，因而物体的能量是十分可观的．核反应中亏损的质量与反应中释放的能量相对应，其关系遵循爱因斯坦的质能方程ΔE＝Δmc2.物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损指的是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量；质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量，只是静止质量的减少；在核反应中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律；质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度．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．质量增加，能量就会减少，在一定条件下质量转化为能量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．一定量的质量总是与一定量的能量相联系解析：根据质能方程可知，物体的质量越大，对应的能量越大，只能说一定的质量和一定的能量相对应，但不能说质量和能量可以发生转化．答案：D3．对公式ΔE＝Δmc2，下列说法中正确的是()A．能量可以转化为质量B．质量可以转化为能量C．能量与质量的转化是成比例的D．在核反应中，能量与质量都不守恒课堂训练解析：ΔE＝Δmc2只是说明质量和释放出核能这两种现象间的联系，并不是说明物体的质量和能量之间存在着相互转化关系，故A、B项错误，C项正确．我们都知道，在核反应中，能量和质量并不违反守恒定律，故D错误．答案：C1．氦原子核由两个质子与两个中子组成，两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则这三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、万有引力解析：由三种力的性质和特点知D项正确．答案：D基础达标2．对原子核的组成，下列说法正确的是()A．核力可使一些中子组成原子核B．核力可使非常多的质子组成原子核C．不存在只有质子的原子核D．质量较大的原子核内一定有中子解析：由于原子核带正电，不存在只有中子的原子核，但核力也不能把非常多的质子集聚在一起组成原子核，原因是核力是短程力，质子之间还存在“长程力”库仑力，A、B错误；自然界中存在一个质子的原子核，，C错误；较大质量的原子核内只有存在一些中子，才能削弱库仑力，维系原子核的稳定，故D正确．答案：D11H3．核子结合成原子核或原子核分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化，这是因为()A．原子核带正电，电子带负电，电荷间存在很大的库仑力B．核子具有质量且相距很近，存在很大的万有引力C．核子间存在着强大的核力D．核子间存在着复杂磁力解析：核子之间存在核力作用，核子结合成原子核或原子核分解为核子时，就要克服核力作用，故伴随着巨大的能量变化．答案：C4．(双选）对结合能、平均结合能的认识，下列正确的是()A．核子结合为原子核时，一定释放能量B．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．平均结合能越大的原子核越稳定解析：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A正确，B错误；对核子较多的原子核的结合能越大，但它的平均结合能不一定大，平均结合能的大小反映了原子核的稳定性，故C错误，D正确．答案：AD5．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，下列说法中错误的是()A．E＝mc2表明物体具有的能量与其质量成正比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解析：爱因斯坦质能方程E＝mc2，定量地指出了物体能量和质量之间的关系，A正确；由质能方程知，当物体的质量减少时，物体的能量降低，向外释放了能量；反之，若物体的质量增加了，则物体的能量升高，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．答案：D6．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)c2解析：质子和中子结合成原子核氘核时，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.本题考查质能方程ΔE＝Δmc2的应用．解题关键是该题只要知道质子和中子(统称核子)结合成原子核时，质量有亏损，即m1＋m2m3，就可迎刃而解．在思考过程中由于对质量亏损理解得不好，容易错选C.答案：D7．美国物理学家雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(ve)而获得了2002年度诺贝尔物理学奖，他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615t四氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶，电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为ve＋Cl→Ar＋e，已知Cl核的质量为36.95658u，Ar核的质量为36.95691u，e的质量为0.00055u,1u质量对应的能量为931.5MeV.根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为()A．1.33MeVB．0.82MeVC．0.51MeVD．0.31MeV37173718013717371801能力提升解析：根据1原子质量单位(u)相当于931.5MeV能量，则ΔE＝Δm×931.5MeV＝(36.95691＋0.00055－36.95658)×931.5MeV＝0.82MeV.答案：B8.（2012·全国新课标）氘核和氚核可发生热核聚变而释放巨大的能量，该反应方程为