1.了解四種基本相互作用,知道核力的性質(zhì)。(物理觀念)2.知道原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能的概念。(物理觀念)3.知道什么是質(zhì)量虧損,能應(yīng)用愛因斯坦質(zhì)能方程進(jìn)行計(jì)算。(科學(xué)思維)
基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識全過關(guān)
重難探究·能力素養(yǎng)全提升
學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)
一、核力與四種基本相互作用1.強(qiáng)相互作用(1)定義:原子核中的核子之間存在一種　　　　的相互作用,即存在一種　　　,它使得核子緊密地結(jié)合在一起,形成穩(wěn)定的原子核,這種作用稱為　 。?(2)特點(diǎn)①核力是強(qiáng)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是短程力,作用范圍只有約　　　　。?
每個(gè)核子只跟相鄰的核子發(fā)生作用
2.弱相互作用(1)定義:在某些放射現(xiàn)象中起作用的還有另一種基本相互作用,稱為弱相互作用。(2)是短程力,作用范圍只有　　　　　。?
引起原子核β衰變的原因
3.四種基本相互作用
二、結(jié)合能與質(zhì)量虧損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　　　,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　　　　之比,叫作比結(jié)合能,也叫作　　　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　　　。?
核子分開吸收的能量,核子結(jié)合放出的能量
3.質(zhì)能方程物體的能量與它的質(zhì)量的關(guān)系是E=　　　。?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。
只有在核反應(yīng)中才發(fā)生
(1)質(zhì)子都帶正電,質(zhì)子與質(zhì)子之間存在著庫侖斥力,為什么 還能穩(wěn)定地存在?
提示 核子之間還存在著核力作用。
(2)自然界中存在的元素是有限的,為什么質(zhì)子與中子不能隨意地組合從而形成無數(shù)不同的原子核?
提示 當(dāng)核子增多時(shí),原子核增大,核子間的距離也增大,當(dāng)距離較大時(shí),一些核子間可能就沒有核力的作用了,這樣形成的核不穩(wěn)定,最終會(huì)瓦解。因此質(zhì)子與中子不能隨意地組合形成無數(shù)不同的原子核。
教材拓展閱讀教材P116思考與討論,思考原子核的結(jié)合能就是核子結(jié)合成原子核時(shí)需要的能量,這種說法對嗎?
提示 不對,原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的,要把它們分開需要能量,叫結(jié)合能;核子結(jié)合成原子核時(shí)放出能量。
易錯(cuò)辨析(1)核力是強(qiáng)相互作用,在任何情況下都比庫侖力大。(　　)(2)原子核內(nèi)的質(zhì)子是靠萬有引力來抗衡庫侖斥力的。(　　)(3)組成原子核的核子越多,它的結(jié)合能就越大。(　　)(4)結(jié)合能越大,核子結(jié)合得越牢固,原子越穩(wěn)定。(　　)
提示核力既是強(qiáng)相互作用,又是短程力,只在10-15 m范圍內(nèi)產(chǎn)生作用,超過這個(gè)距離就減為零,而庫侖力不為零。
提示原子核內(nèi)的質(zhì)子是靠核力來抗衡庫侖力組成核的。
提示比結(jié)合能越大,表明原子核分解為自由核子時(shí)平均每個(gè)核子所需外界提供的能量越多,原子核越穩(wěn)定。
(5)自由核子結(jié)合為原子核時(shí),可能吸收能量。(　　)(6)質(zhì)能方程E=mc2表明了質(zhì)量與能量之間的一種對應(yīng)關(guān)系。(　　)
提示自由核子結(jié)合為原子核時(shí),發(fā)生質(zhì)量虧損,釋放能量。
探究點(diǎn)一　核力與四種基本相互作用
如圖是穩(wěn)定核的質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的關(guān)系。實(shí)線為中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)相等的情況,而實(shí)際上穩(wěn)定的原子核質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)關(guān)系是另一條線。(其中Z表示質(zhì)子數(shù),N表示中子數(shù))試探究:(1)原子核較輕時(shí)與較重時(shí)有什么區(qū)別?
穩(wěn)定核的質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的關(guān)系
要點(diǎn)提示 原子核較輕時(shí)中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)大致相等,而較重時(shí)中子數(shù)明顯多于質(zhì)子數(shù)。
(2)為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象?
要點(diǎn)提示 核力是短程力,且有飽和性,較重的原子核中子數(shù)比質(zhì)子數(shù)多,能維持穩(wěn)定。太大的原子核也不穩(wěn)定,在宇宙演化過程中只有200多種穩(wěn)定的原子核保留了下來。
1.四種基本相互作用在不同尺度上發(fā)揮作用(1)引力相互作用:引力主要在宏觀和宏觀尺度上“獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷”。是引力使行星繞著恒星轉(zhuǎn),并且聯(lián)系著星系團(tuán),決定著宇宙的現(xiàn)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(jié)合成分子,使分子結(jié)合成液體和固體。(3)強(qiáng)相互作用:在原子核內(nèi),強(qiáng)相互作用將核子束縛在一起,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(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是短程力,其力程比強(qiáng)相互作用更短,作用強(qiáng)度則比電磁力小。
2.核力的性質(zhì)(1)核力是四種相互作用中的強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)。(2)核力是短程力。約在10-15 m的范圍內(nèi)起作用,距離大于10-15 m時(shí)為引力,距離小于10-15 m時(shí)為斥力。(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(qiáng)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。核力與核子帶不帶電、帶正電還是帶負(fù)電無關(guān)。
3.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,其中子數(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)子與中子成對地構(gòu)成原子核,隨著原子核的增大,核子間的距離增大,核力和電磁力都會(huì)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(shí),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(gè)原子核就不穩(wěn)定了。
②若只增加中子,因?yàn)橹凶优c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,因此穩(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(huì)大到其間根本沒有核力的作用,這時(shí)候再增加中子,形成的核也一定是不穩(wěn)定的。
【例1】 (多選)下列說法正確的是(　 　)A.核力是短程力,作用范圍很小,只在鄰近核子間發(fā)生B.核力可能是引力,也可能是斥力。核力把核子緊緊束縛在核內(nèi),形成穩(wěn)定的原子核,但又不會(huì)融合在一起C.質(zhì)子間、中子間、質(zhì)子和中子之間都可能有核力D.核力是一種弱相互作用力,在其作用范圍內(nèi),核力比庫侖力大得多
解析 核力作用的范圍在10-15 m區(qū)域內(nèi),只在鄰近核子間發(fā)生,是短程力,A正確;核力可能表現(xiàn)為引力,也可能表現(xiàn)為斥力,B正確;核力是核子之間的強(qiáng)相互作用力,C正確;核力是一種強(qiáng)相互作用力,D錯(cuò)誤。
方法技巧　(1)核力的存在與核子是否帶電及電性無關(guān)。(2)原子核的穩(wěn)定性與核力和庫侖力的大小有關(guān)。
1.(多選)對于核力,以下說法正確的是(　　)A.核力是弱相互作用力,作用力很小B.核力是強(qiáng)相互作用的表現(xiàn),是強(qiáng)力C.核子之間的距離小于10-15 m時(shí),核力表現(xiàn)為斥力,因此核子不會(huì)融合在一起D.核力的作用范圍很大,是長程力
解析 核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn),它的作用范圍在1.5×10-15 m之內(nèi),故選項(xiàng)B正確,A錯(cuò)誤;核力在大于0.8×10-15 m時(shí)表現(xiàn)為吸引力,且隨距離增大而減小,在距離小于0.8×10-15 m時(shí),核力表現(xiàn)為斥力,因此核子不會(huì)融合在一起,故選項(xiàng)C正確;核力是短程力,故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
設(shè)有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子在核力作用下靠近碰撞并結(jié)合成一個(gè)氘核。質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核的過程中是釋放能量還是吸收能量?使氘核分解為質(zhì)子和中子的過程中呢?
要點(diǎn)提示 質(zhì)子和中子結(jié)合成原子核的過程中要釋放能量;氘核分解成質(zhì)子和中子時(shí)要吸收能量。
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)變化的圖線如圖所示。
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)量的原子核要小。
2.比結(jié)合能與原子核穩(wěn)定的關(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,表示該原子核就越穩(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;中等核子數(shù)的原子核,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(shí),就可能釋放核能。例如,一個(gè)核子數(shù)較大的重核分裂成兩個(gè)核子數(shù)小一些的核,或者兩個(gè)核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個(gè)核子數(shù)大一些的核,都能釋放出巨大的核能。
×106 eV×106 ×105 eV×106 eV
2.原子核的比結(jié)合能曲線如圖所示。根據(jù)該曲線,下列判斷正確的是(　　)
探究點(diǎn)三　質(zhì)量虧損與核能的計(jì)算
如圖是兩個(gè)核子數(shù)很小的輕核氘、氚結(jié)合成一個(gè)核子數(shù)大一些的氦核的原子核轉(zhuǎn)變示意圖。
(1)在核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)是否守恒?(2)在該核反應(yīng)過程中會(huì)釋放出能量,反應(yīng)前后原子核的質(zhì)量是否會(huì)發(fā)生變化?
要點(diǎn)提示 (1)在核反應(yīng)過程中,質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)都是守恒的。(2)會(huì)發(fā)生變化,質(zhì)量會(huì)減少。
1.對質(zhì)量虧損的理解(1)質(zhì)量虧損,并不是質(zhì)量消失,減少的質(zhì)量在核子結(jié)合成新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。(2)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(dòng)質(zhì)量,而且這個(gè)動(dòng)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)質(zhì)量虧損只有在核反應(yīng)中才能明顯地表現(xiàn)出來。(4)質(zhì)量虧損是核反應(yīng)前與核反應(yīng)后的質(zhì)量之差。
2.對質(zhì)能方程E=mc2的理解(1)質(zhì)量、能量是物質(zhì)的兩種屬性,它們之間不能相互轉(zhuǎn)變。(2)質(zhì)能方程建立了質(zhì)量和能量之間的數(shù)量關(guān)系,即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(shí)質(zhì)能方程也寫作ΔE=Δmc2。3.核反應(yīng)中核能的計(jì)算(1)任何一個(gè)原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和,即核子組成原子核發(fā)生質(zhì)量虧損釋放能量ΔE=Δmc2。(2)當(dāng)核反應(yīng)中發(fā)生質(zhì)量虧損時(shí),釋放能量;反之,當(dāng)質(zhì)量增加時(shí),吸收能量;釋放或吸收的能量ΔE=Δmc2。
【例3】 靜止的原子核X,自發(fā)發(fā)生反應(yīng)X→Y+Z,分裂成運(yùn)動(dòng)的新核Y和Z,同時(shí)產(chǎn)生一對彼此向相反方向運(yùn)動(dòng)的光子,這對光子的能量均為E。已知X、Y、Z的質(zhì)量分別為m1、m2、m3,真空中的光速為c,求:(1)反應(yīng)放出的核能ΔE;(2)新核Z的動(dòng)能EkZ。
解析 (1)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE=Δmc2反應(yīng)放出的核能ΔE=(m1-m2-m3)c2。
(2)根據(jù)能量守恒定律新核Y、Z的總動(dòng)能為Ek=(m1-m2-m3)c2-2E由動(dòng)量守恒可知m2v2+m3v3=0
3.(多選)(2023河北秦皇島高二期末)中子活化是指將樣品用中子照射后,樣品中的原子經(jīng)中子俘獲而變得具有放射性的過程。俘獲中子后的原子核
X的質(zhì)量分別為1.008 7 u、23.985 0 u、23.991 0 u、1.007 8 u,1 u相當(dāng)于931.5 MeV的能量,下列說法正確的是(　　)
C.生成物的質(zhì)量減少0.005 1 uD.反應(yīng)將吸收能量約4.75 MeV
應(yīng)前后生成物質(zhì)量變化為Δm=23.991 0 u+1.007 8 u-1.008 7 u-23.985 0 u =0.005 1 u,說明生成物的質(zhì)量增加0.005 1 u,故C錯(cuò)誤;生成物的質(zhì)量增加,所以吸收的能量為E=Δm×931.5 MeV=4.750 65 MeV,故D正確。
1.(核力與核能)下列關(guān)于核力與核能的說法正確的是(　　)A.核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn),任意兩個(gè)核子之間都存在核力作用B.原子核的比結(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C.核力是引起原子核β衰變的原因D.原子核中所有核子單獨(dú)存在時(shí)的質(zhì)量總和等于該原子核的總質(zhì)量
解析 核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn),但是力的作用范圍很小,只對相鄰的核子有作用,A錯(cuò)誤;原子核的穩(wěn)定程度由比結(jié)合能決定,比結(jié)合能越大,越穩(wěn)定,B正確;引起原子核β衰變的原因是弱相互作用,而核力是強(qiáng)相互作用,C錯(cuò)誤;原子核中所有核子單獨(dú)存在時(shí)的質(zhì)量總和大于該原子核的總質(zhì)量,因?yàn)樽杂珊俗有纬稍雍藭r(shí)要釋放能量,根據(jù)質(zhì)能方程,質(zhì)量要發(fā)生虧損,D錯(cuò)誤。
2.(結(jié)合能和質(zhì)能方程)(2023河南安陽高二月考)盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子的同時(shí),發(fā)現(xiàn)氮原子核變成了氧原子核,產(chǎn)生了氧的一種同位
3.(質(zhì)量虧損)(多選)原子核的核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)Z的關(guān)系圖像如圖所示。下列說法正確的是(　　)A.若D、E能結(jié)合成F,結(jié)合過程一定要釋放能量B.若D、E能結(jié)合成F,結(jié)合過程一定要吸收能量C.若A能分裂成B、C,分裂過程一定要釋放能量D.若A能分裂成B、C,分裂過程一定要吸收能量
解析 由題圖可知,F原子核的核子的平均質(zhì)量小,則原子序數(shù)較小的核D、E結(jié)合成原子序數(shù)較大的核F時(shí),因F的核子的平均質(zhì)量小于D、E核子的平均質(zhì)量,故出現(xiàn)質(zhì)量虧損,由質(zhì)能方程知,該過程一定要放出核能,所以選項(xiàng)A正確,B錯(cuò)誤;因?yàn)锽、C的核子的平均質(zhì)量小于A核子的平均質(zhì)量,故A分裂成B、C的過程一定要釋放能量,所以選項(xiàng)C正確,D錯(cuò)誤。

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3 核力與結(jié)合能

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