
知識點一 原子核的組成1.質(zhì)子的發(fā)現(xiàn).(如圖所示)
2.中子的發(fā)現(xiàn).(如圖所示)
3.原子核的組成.由質(zhì)子和中子組成,它們統(tǒng)稱為核子.4.原子核的符號.
知識點二 核反應(yīng)方程1.定義:原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新的原子核的過程.2.原子核的人工轉(zhuǎn)變.1919年盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核,產(chǎn)生了氧的一種同位素,同時產(chǎn)生一個質(zhì)子.
知識點三 核力及四種基本相互作用1.核力.原子核內(nèi)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(xiàn),在原子核內(nèi),核力比庫侖力大得多.(2)核力是短程力,作用范圍在2×10-15 m之內(nèi).3.四種基本相互作用.
知識點四 結(jié)合能1.結(jié)合能.原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的,要把它們分開,也需要能量,這就是原子核的結(jié)合能.2.比結(jié)合能.原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比,稱作比結(jié)合能,也叫平均結(jié)合能.比結(jié)合能越大,表示原子核中核子結(jié)合得越牢固,原子核越穩(wěn)定.中等大小的核的比結(jié)合能最大、最穩(wěn)定.3.質(zhì)能方程.物體的能量與它們質(zhì)量的關(guān)系是:E=Δmc2.4.質(zhì)量虧損.原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和的現(xiàn)象.
3.(多選)下列關(guān)于結(jié)合能和比結(jié)合能的說法中,正確的有 ( )A.核子結(jié)合成原子核時放出能量B.原子核拆解成核子時要吸收能量C.比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,因此它的結(jié)合能也一定越大D.重核與中等質(zhì)量原子核相比較,重核的結(jié)合能和比結(jié)合能都大
AB 解析:核子結(jié)合成原子核是放出能量,原子核拆解成核子是吸收能量,A、B正確;比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,但比結(jié)合能越大的原子核,其結(jié)合能不一定大,例如中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比重核大,但由于核子數(shù)比重核少,其結(jié)合能比重核反而小,選項C、D錯誤.
2.基本關(guān)系.核電荷數(shù)=質(zhì)子數(shù)(Z)=元素的原子序數(shù)=核外電子數(shù),質(zhì)量數(shù)(A)=核子數(shù)=質(zhì)子數(shù)+中子數(shù).3.同位素:原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)決定了核外電子的數(shù)目,進而也決定了元素的化學(xué)性質(zhì).同種元素的原子,質(zhì)子數(shù)相同,核外電子數(shù)也相同,所以有相同的化學(xué)性質(zhì),但它們的中子數(shù)可能不同,所以它們的物理性質(zhì)不同.
解析:原子序數(shù)與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)、核電荷數(shù)、中性原子的核外電子數(shù)都是相等的.原子核的質(zhì)量數(shù)等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和.(1)鐳核中的質(zhì)子數(shù)等于原子序數(shù),故質(zhì)子數(shù)為88,中子數(shù)N等于原子核的質(zhì)量數(shù)A與質(zhì)子數(shù)Z之差.即N=A-Z=226-88=138.
原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)叫核電荷數(shù),而這些質(zhì)子所帶電荷量的總和才是原子核的電荷量.本題容易把核電荷數(shù)誤認(rèn)為是原子核的電荷量而造成錯解.
探究二 原子核的人工反應(yīng)及核反應(yīng)方程1.核反應(yīng)的條件.用α粒子、質(zhì)子、中子,甚至用γ光子轟擊原子核使原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變.2.核反應(yīng)的實質(zhì).用粒子轟擊原子核并不是粒子與核碰撞將原子核打開,而是粒子打入原子核內(nèi)部使核發(fā)生了轉(zhuǎn)變.3.原子核人工轉(zhuǎn)變的三個典型核反應(yīng).(1)1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng):
寫核反應(yīng)方程時應(yīng)注意以下三點(1)核反應(yīng)過程一般都是不可逆的,核反應(yīng)方程不能用等號連接,只能用單箭頭表示反應(yīng)方向.(2)核反應(yīng)方程應(yīng)以實驗事實為基礎(chǔ),不能憑空杜撰.(3)核反應(yīng)過程和衰變現(xiàn)象都遵循電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒.質(zhì)量數(shù)守恒不是質(zhì)量守恒,核反應(yīng)過程中一般會發(fā)生質(zhì)量的變化.
2.用中子轟擊鋁27,產(chǎn)生鈉24和X粒子,鈉24具有放射性,它衰變后變成鎂24,則X粒子和鈉的衰變過程分別是 ( )A.質(zhì)子、α衰變 B.電子、α衰變C.α粒子、β衰變 D.正電子、β衰變
3.如圖所示是原子核人工轉(zhuǎn)變實驗裝置示意圖,A是α粒子源,F(xiàn)是鋁箔,S是熒光屏,在容器中充入氮氣后,屏S上出現(xiàn)閃光,該閃光產(chǎn)生的原因是( )
A.α粒子射到屏S上產(chǎn)生的B.粒子源中放出的γ射線射到屏上產(chǎn)生的C.α粒子轟擊鋁箔F上打出的某種粒子射到屏上產(chǎn)生的D.α粒子轟擊氮核后產(chǎn)生的某種粒子射到屏上產(chǎn)生的
D 解析:充入氮氣后,α粒子轟擊氮核產(chǎn)生質(zhì)子,質(zhì)子穿過鋁箔后射到熒光屏上,使熒光屏上出現(xiàn)閃光,故D正確.
探究三 對核力的理解1.核力的性質(zhì).(1)核力是四種基本相互作用中的強相互作用的一種表現(xiàn).(2)核力是短程力,約在10-15 m數(shù)量級時起作用.(3)核力具有飽和性.核子只對相鄰的少數(shù)核子產(chǎn)生較強的引力,而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用.(4)核力具有電荷無關(guān)性.核力與核子電荷無關(guān).2.原子核中質(zhì)子與中子的比例關(guān)系.(1)較輕的原子核質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等,但對于較重的原子核中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù),越重的原子核,兩者相差越多.
(2)形成原因.①若質(zhì)子與中子成對地人工構(gòu)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(dāng)原子核增大到一定程度時,相距較遠(yuǎn)的質(zhì)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(zhì)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.
【典例3】 關(guān)于原子核中質(zhì)子和中子的說法,正確的是( )A.原子核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)一定相等B.穩(wěn)定的重原子核里,質(zhì)子數(shù)比中子數(shù)多C.原子核都是非常穩(wěn)定的D.由于核力的作用范圍是有限的,核力具有飽和性,不可能無節(jié)制地增大原子核而仍穩(wěn)定存在
D 解析:原子核中原子數(shù)和中子數(shù)不一定相等,質(zhì)量越大的原子核內(nèi)中子數(shù)比質(zhì)子數(shù)多得越多,故A、B錯誤;原子核可以發(fā)生衰變,故C錯誤;由核力作用特點可知,核子數(shù)越多的原子核越不穩(wěn)定,故D正確.
記憶核力特點技巧(1)核子包括質(zhì)子和中子,而中子不帶電,所以核力與電荷無關(guān).(2)原子核非常小,所以核力屬于短程力.(3)質(zhì)子間的核力比庫侖力大得多,屬于強相互作用力.
5.氦原子核由兩個質(zhì)子與兩個中子組成,兩個質(zhì)子之間存在著萬有引力、庫侖力和核力,則這三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
D 解析:由三種力的性質(zhì)和特點可知,核力>庫侖力>萬有引力,故D項正確.
6.對原子核的組成,下列說法正確的是 ( )A.核力可使一些中子組成原子核B.核力可使非常多的質(zhì)子組成原子核C.不存在只有質(zhì)子的原子核D.質(zhì)量較大的原子核內(nèi)一定有中子
7.(多選)對核力的認(rèn)識,下列說法正確的是 ( )A.任何核子之間均存在核力B.每個核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用C.核力只存在于質(zhì)子之間D.核力是短程力
BD 解析:由核力的特點知道,只有相距1.5×10-15 m內(nèi)的核子之間存在核力,核力發(fā)生在相鄰核子之間.
探究四 對比結(jié)合能的理解1.比結(jié)合能曲線.不同原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)的變化圖線如圖所示.
從圖中可看出,中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能最大,輕核和重核的比結(jié)合能都比中等質(zhì)量的原子核要?。?br/>2.比結(jié)合能與原子核穩(wěn)定性的關(guān)系.(1)比結(jié)合能的大小能夠反映原子核的穩(wěn)定程度,比結(jié)合能越大,原子核就越難拆開,表示該核越穩(wěn)定.(2)核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核,比結(jié)合能都比較小,表示原子核不太穩(wěn)定;中等質(zhì)量大小的核比結(jié)合能較大,表示原子核較穩(wěn)定.(3)當(dāng)比結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成比結(jié)合能較大的原子核時,就可釋放核能.例如,一個核子數(shù)較大的重核分裂成兩個核子數(shù)小一些的核,或者兩個核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個核子數(shù)大一些的核,都能釋放出巨大的核能.
【典例4】 如圖所示是描述原子核核子的平均質(zhì)量m與原子序數(shù)Z的關(guān)系曲線,由圖可知下列說法正確的是( )
A.將原子核A分解為原子核B、C可能吸收能量B.將原子核D、E結(jié)合成原子核F可能吸收能量C.將原子核A分解為原子核B、F一定釋放能量D.將原子核F、C結(jié)合成原子核B一定釋放能量
C 解析:因B、C核子平均質(zhì)量小于A的核子平均質(zhì)量,故A分解為B、C時,出現(xiàn)質(zhì)量虧損,故放出核能,故A錯誤;同理可得B、D錯誤,C正確.
結(jié)合能的應(yīng)用技巧(1)組成原子核的核子越多,結(jié)合能越大.(2)結(jié)合能與核子個數(shù)之比稱為比結(jié)合能,比結(jié)合能越大原子核越穩(wěn)定.(3)結(jié)合能通常只用在原子核中.
8.(多選)對結(jié)合能、比結(jié)合能的認(rèn)識,下列說法正確的是( )A.核子結(jié)合為原子核時,一定釋放能量B.核子結(jié)合為原子核時,可能吸收能量C.結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定D.比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定
AD 解析:由自由核子結(jié)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?yōu)樽杂珊俗?,它需要吸收相?yīng)的能量,該能量即為結(jié)合能,故A正確,B錯誤;組成原子核的核子越多,它的結(jié)合能越大,但它的比結(jié)合能不一定大,比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,故C錯誤,D正確.
9.下列關(guān)于結(jié)合能和平均結(jié)合能的說法正確的是 ( )A.核子結(jié)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(jié)合能B.平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,因此它的結(jié)合能也一定越大C.重核與中等質(zhì)量原子核相比較,重核的結(jié)合能和平均結(jié)合能都大D.中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和平均結(jié)合能均比輕核的要大
D 解析:核子結(jié)合成原子核放出的能量或原子核拆解成核子吸收的能量稱為結(jié)合能,故A錯誤;平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,它的結(jié)合能還和核子的數(shù)量有關(guān),故B錯誤;重核與中等質(zhì)量原子核相比較,重核的結(jié)合能大,重核的平均結(jié)合能比中等核的小,故C錯誤;中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能和結(jié)合能比輕核的都大,故D正確.
10.一個中子與某原子核發(fā)生核反應(yīng),生成一個氘核,其核反應(yīng)方程式為______________________.該反應(yīng)放出的能量為Q,則氘核的比結(jié)合能為________.
探究五 能量與質(zhì)量的關(guān)系1.質(zhì)量虧損.所謂質(zhì)量虧損,并不是質(zhì)量消失,減少的質(zhì)量在核子結(jié)合成原子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(zhì)量要增加,總能量也要增加,增加的能量要由外部供給.總之,物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系,它們之間的關(guān)系就是E=mc2.
2.能量與質(zhì)量的關(guān)系——質(zhì)能方程E=mc2.(1)質(zhì)能方程說明,一定的質(zhì)量總是跟一定的能量相聯(lián)系的.具體地說,一定質(zhì)量的物體所具有的總能量是一定的,等于光速的平方與其質(zhì)量之積,這里所說的總能量,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(jù)質(zhì)能方程,物體的總能量與其質(zhì)量成正比.物體質(zhì)量增加,則總能量隨之增加;質(zhì)量減少,總能量也隨之減少.這時質(zhì)能方程也寫作ΔE=Δmc2.(3)質(zhì)能方程的本質(zhì):①質(zhì)量或能量是物質(zhì)的屬性之一,決不能把物質(zhì)和它們的某一屬性(質(zhì)量和能量)等同起來;
②質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量和能量的不可分割性,方程建立了這兩個屬性在數(shù)值上的關(guān)系,這兩個量分別遵守質(zhì)量守恒和能量守恒,質(zhì)量和能量在數(shù)值上的聯(lián)系決不等于這兩個量可以相互轉(zhuǎn)化;③質(zhì)量虧損不是否定了質(zhì)量守恒定律,根據(jù)愛因斯坦的相對論,輻射出的γ光子靜質(zhì)量雖然為零,但它有動質(zhì)量,而且這個動質(zhì)量剛好等于虧損的質(zhì)量,所以質(zhì)量守恒、能量守恒仍成立.3.核能的計算方法.根據(jù)質(zhì)量虧損計算:(1)根據(jù)核反應(yīng)方程,計算核反應(yīng)前和核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損Δm.(2)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE=Δmc2計算核能.其中Δm的單位是千克,ΔE的單位是焦耳.
4.判斷核反應(yīng)過程是釋放能量還是吸收能量的方法.(1)根據(jù)反應(yīng)前后質(zhì)量的變化情況進行判斷.若質(zhì)量減少即發(fā)生了質(zhì)量虧損,則釋放能量;若質(zhì)量增加,則吸收能量.(2)根據(jù)動能變化判斷,若不吸收光子而動能增加則放出能量.
核能的兩種單位換算技巧(1)若以kg為質(zhì)量虧損Δm的單位,則計算時應(yīng)用公式ΔE=Δmc2.(2)若以原子質(zhì)量單位“u”為質(zhì)量虧損單位,則ΔE=Δm×931.5 MeV.(3)兩種方法計算的核能的單位分別為“J”和“MeV”,1 MeV=1×106×1.6×10-19 J=1.6×10-13 J.
11.下列說法中正確的是( )A.愛因斯坦質(zhì)能方程反映了物體的質(zhì)量就是能量,它們之間可以相互轉(zhuǎn)化B.由E=mc2可知,能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系C.核反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)的“質(zhì)量虧損”是消失的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成為能量D.因在核反應(yīng)中能產(chǎn)生能量,且有質(zhì)量的轉(zhuǎn)化,所以系統(tǒng)只有質(zhì)量數(shù)守恒,系統(tǒng)的總能量和總質(zhì)量并不守恒
B 解析:E=mc2說明能量和質(zhì)量之間存在著聯(lián)系,即能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系,并不是說明能量和質(zhì)量之間存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系,A錯誤,B正確;核反應(yīng)中的“質(zhì)量虧損”并不是質(zhì)量消失,實際上是由靜止的質(zhì)量變成運動的質(zhì)量,并不是質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量,C錯誤;在核反應(yīng)中,質(zhì)量守恒,能量也守恒,在核反應(yīng)前后只是能量的存在方式不同,總能量不變,在核反應(yīng)前后只是物質(zhì)的質(zhì)量由靜質(zhì)量變成動質(zhì)量,D錯誤.
12.取質(zhì)子的質(zhì)量mp=1.672 6×10-27 kg,中子的質(zhì)量mn=1.674 9×10-27 kg,α粒子的質(zhì)量mα=6.646 7×10-27 kg,光速c=3.0×108 m/s.請計算α粒子的結(jié)合能.(計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)
解析:組成α粒子的核子與α粒子的質(zhì)量差Δm=(2mp+2mn)-mα,又結(jié)合能ΔE=Δmc2,代入數(shù)據(jù)得ΔE=4.3×10-12 J.
答案:4.3×10-12 J
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