
1.結(jié)合能
上述過(guò)程是用宏觀物體做的例子。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(kāi),也需要能量,這就是原子的結(jié)合能。
顯然,組成原子核的核子越多,它的結(jié)合能越高。因此,有意義的是它的結(jié)合能與核子數(shù)之比,稱為比結(jié)合能,也叫平均結(jié)合能。比結(jié)合能越大,原子核中核子結(jié)合得越牢固,原子核越穩(wěn)定。
中等質(zhì)量的核比結(jié)合能較大,原子核較穩(wěn)定,因此,重核的裂變、輕核的聚變都是放能反應(yīng)。
典例精講
【例1.1】(河南月考)自然界中穩(wěn)定原子核的質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的關(guān)系如圖所示,下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是( )
A.自然界中較輕的原子核,質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)大致相等
B.圖象中橫坐標(biāo)Z表示質(zhì)子數(shù)
C.較重的原子核,中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)
D.核子數(shù)越多,結(jié)合能越高,原子核越穩(wěn)定
【分析】如圖所示,自然界中較輕的原子核,質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)大致相等;圖象中橫坐標(biāo)Z表示質(zhì)子數(shù),N表示中子數(shù);較重的原子核,中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù);平均結(jié)合能越大的核子越大越穩(wěn)定。
【解答】解:A、自然界中較輕的原子核,質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)大致相等,故A正確。
B、圖象中橫坐標(biāo)Z表示質(zhì)子數(shù),N表示中子數(shù),故B正確。
C、較重的原子核,中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù),故C正確。
D、核子數(shù)越多,結(jié)合能越高,原子核不一定越穩(wěn)定,平均結(jié)合能越大的核子越大越穩(wěn)定。故D錯(cuò)誤。
本題選錯(cuò)誤的,故選:D。
【例1.2】(市中區(qū)校級(jí)期末)關(guān)于原子核的結(jié)合能,下列說(shuō)法正確的是( )
A.原子核的結(jié)合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量
B.一重原子核衰變成α粒子和另一原子核,衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定等于原來(lái)重核的結(jié)合能
C.結(jié)合能越大,原子核越穩(wěn)定
D.自由核子組成原子核時(shí),其質(zhì)量虧損所對(duì)應(yīng)的能量大于該原子核的結(jié)合能
【分析】原子核的結(jié)合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量;一重原子核衰變成α粒子和另一原子核,衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和小于原來(lái)重核的結(jié)合能;平均結(jié)合能越大,原子核越穩(wěn)定。。
【解答】解:A、原子核的結(jié)合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量。故A正確;
B、一重原子核衰變成α粒子和另一原子核,衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和小于原來(lái)重核的結(jié)合能。故B錯(cuò)誤;
C、平均結(jié)合能越大,原子核越穩(wěn)定。故C錯(cuò)誤;
D、根據(jù)質(zhì)能方程可知,自由核子組成原子核時(shí),其質(zhì)量虧損所對(duì)應(yīng)的能量等于該原子核的結(jié)合能。故D錯(cuò)誤;
故選:A。
【例1.3】(洛陽(yáng)三模)精確的研究表明,不同的原子核,其核子的平均質(zhì)量(原子核的質(zhì)量除以核子數(shù))與原子序數(shù)Z有如圖所示的關(guān)系。根據(jù)該圖所提供的信息及原子核的聚變、裂變有關(guān)知識(shí),下列說(shuō)法正確的是( )
A.從圖中可以看出,鐵Fe原子核中核子的平均質(zhì)量最大
B.原子序數(shù)較大的重核A分裂成原子序數(shù)小一些的核B和C,質(zhì)量會(huì)增加
C.原子序數(shù)很小的輕核D和E結(jié)合成一個(gè)原子序數(shù)大些的F核,能釋放核能
D.原子序數(shù)較大的重核裂成原子序數(shù)小一些的核B和C,需要吸收能量
【分析】根據(jù)圖象判斷出各原子核質(zhì)量關(guān)系,然后判斷發(fā)生核反應(yīng)時(shí)質(zhì)量變化情況,最后根據(jù)質(zhì)能方程分析答題。
【解答】解:A、分析圖可知,鐵Fe原子核中核子的平均質(zhì)量最小,故A錯(cuò)誤。
B、原子序數(shù)較大的重核A分裂成原子序數(shù)小一些的核B和C,由于后者的核子平均質(zhì)量小,故發(fā)生質(zhì)量虧損,故B錯(cuò)誤。
C、同理,原子序數(shù)很小的輕核D和E結(jié)合成原子序數(shù)大些的F核,則發(fā)生質(zhì)量虧損,釋放核能,故C正確。
D、原子序數(shù)較大的重核裂成原子序數(shù)小一些的核B和C,質(zhì)量虧損,釋放核能,故D錯(cuò)誤。
故選:C。
【例1.4】(潁州區(qū)校級(jí)月考)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( )
A.重核U裂變成Kr和Ba要吸收能量
B.H核的結(jié)合能約為2MeV
C.中等質(zhì)量的原子核最不穩(wěn)定
D.兩個(gè)H核結(jié)合成He核要釋放能量
【分析】由圖得出氘核的比結(jié)合能,抓住比結(jié)合能等于結(jié)合能與核子數(shù)的比值得氘氦核的結(jié)合能;比結(jié)合能越大,原子核越穩(wěn)定,通過(guò)圖示得出比結(jié)合能的大小。
【解答】解:A、由圖可知重核的比結(jié)合能小于裂變產(chǎn)物的結(jié)合能,所以該反應(yīng)釋放能量,故A錯(cuò)誤。
B、根據(jù)圖象可知的比結(jié)合能約為1MeV,所以的結(jié)合能E=2×1MeV=2MeV,故B正確。
C、中等質(zhì)量的原子核比結(jié)合能最大,最穩(wěn)定,故C錯(cuò)誤。
D、根據(jù)圖象可知的比結(jié)合能大于的比結(jié)合能,所以反應(yīng)釋放能量,故D正確。
故選:BD。
2.質(zhì)量虧損
原子核的結(jié)合能很難直接測(cè)量,愛(ài)因斯坦已經(jīng)給我們指出了物體的能量和它的質(zhì)量之間的關(guān)系,即 SKIPIF 1 < 0 。
實(shí)驗(yàn)表明,原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和,這個(gè)現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損。我們可以通過(guò) SKIPIF 1 < 0 來(lái)計(jì)算質(zhì)量虧損過(guò)程中釋放出的能量。
典例精講
【例2.1】(天心區(qū)校級(jí)期末)下列關(guān)于原子結(jié)構(gòu)和原子核的說(shuō)法中不正確的是( )
A.盧瑟福在α粒子散射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型
B.天然放射性元素在衰變過(guò)程中核電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒,其放射線在磁場(chǎng)中不偏轉(zhuǎn)的是γ射線
C.由圖可知,原子核D和E聚變成原子核F要吸收能量
D.由圖可知,原子核A裂變成原子核B和C要放出核能
【分析】α粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象說(shuō)明原子內(nèi)部存在原子核;天然放射現(xiàn)象的射線有α、β、γ三種射線,其中不帶電的是γ射線;核反應(yīng)中,有質(zhì)量虧損時(shí)會(huì)釋放核能,反之會(huì)吸收核能。
【解答】解:A、α粒子散射實(shí)驗(yàn)中,絕大多數(shù)α粒子能夠穿過(guò)原子,只有極少數(shù)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn),故盧瑟福在此基礎(chǔ)上提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型,故A說(shuō)法正確;
B、天然放射性元素在衰變過(guò)程中電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒,其放射線有α、β、γ三種射線,其中不帶電的是γ射線,放射線在磁場(chǎng)中不偏轉(zhuǎn)的是γ射線,故B說(shuō)法正確;
C、據(jù)圖可知,原子核D和E聚變成原子核F過(guò)程中有質(zhì)量虧損,故會(huì)放出核能,故C說(shuō)法不正確;
D、據(jù)圖可知,原子核A裂變成原子核B和C過(guò)程中有質(zhì)量虧損,故會(huì)放出核能,故D說(shuō)法正確;
本題選不正確的,故選:C。
隨堂練習(xí)
一、單項(xiàng)選擇題(共12小題)
1. 下列關(guān)于核力的說(shuō)法正確的是
A. 核力同萬(wàn)有引力沒(méi)有區(qū)別,都是物體間的相互作用
B. 核力就是電磁力
C. 核力是短程力,作用范圍在 之內(nèi)
D. 核力與電荷有關(guān)
2. 核子結(jié)合成原子核或原子核分解為核子時(shí),都伴隨著巨大的能量變化,這是因?yàn)?
A. 原子核帶正電,電子帶負(fù)電,電荷間存在很大的庫(kù)侖力
B. 核子具有質(zhì)量且相距很近,存在很大的萬(wàn)有引力
C. 核子間存在著強(qiáng)大的核力
D. 核子間存在著復(fù)雜的磁力
3. 關(guān)于核力的下列說(shuō)法正確的是
A. 核力同萬(wàn)有引力沒(méi)有區(qū)別,都是物體間的作用
B. 核力就是電磁力
C. 核力是短程力
D. 核力與電荷有關(guān)
4. 下列說(shuō)法正確的是
A. 愛(ài)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 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)重虧損”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,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
5. 【 北京高考 】質(zhì)子、中子和氖核的質(zhì)量分別為 、 和 。當(dāng)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核時(shí),釋放的能量是( 表示真空中的光速)
A. B.
C. D.
6. 下列關(guān)于核力的說(shuō)法正確的是
A. 核力同萬(wàn)有引力沒(méi)有區(qū)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 之內(nèi)
D. 核力與電荷有關(guān)
7. 核子結(jié)合成原子核或原子核分解為核子時(shí),都伴隨著巨大的能量變化,這是因?yàn)? 。
A. 核子間存在著復(fù)雜磁力
B. 核子間存在著強(qiáng)大的核力
C. 核子具有質(zhì)量且相距很近,存在很大的萬(wàn)有引力
D. 原子核帶正電,電子帶負(fù)電,電荷間存在很大的庫(kù)侖力
8. 下面關(guān)于結(jié)合能和平均結(jié)合能的說(shuō)法中,正確的有
A. 核子結(jié)合成原子核吸收的能量或原子核分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
9. 下列關(guān)于原子核中質(zhì)子和中子的說(shuō)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,以及核力的飽和性,原子核不可能無(wú)節(jié)制地增大而仍穩(wěn)定存在
10. 質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為加 、 和 。當(dāng)一個(gè)質(zhì)子和 個(gè)中子結(jié)合成氘核時(shí),釋放的能量是( 表示真空中的光速)
A. ( B. (
C. ( D. (
11. 已知氦原子的質(zhì)量為 ,電子的質(zhì)量為 ,質(zhì)子的質(zhì)量為 ,中子的質(zhì)量為 , 為原子質(zhì)量單位,且由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程 可知: 對(duì)應(yīng)于 的能量,若取光速 ,則兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子聚變成一個(gè)氦核,釋放的能量為
A.
B.
C.
D.
12. 一個(gè)鋰核受到一個(gè)質(zhì)子轟擊變?yōu)? 個(gè) 粒子,核反應(yīng)方程為 。已知一個(gè)氫原子的質(zhì)量為 ,一個(gè)鋰原子的質(zhì)量為 ,一個(gè)氦原子的質(zhì)量為 。根據(jù)以上信息,下列判斷正確的是
A. 屬于 衰變
B. 屬于輕核聚變
C. 根據(jù)題中信息,可以計(jì)算核反應(yīng)釋放的核能
D. 因?yàn)轭}中給出的是三種原子的質(zhì)量,沒(méi)有給出核的質(zhì)量,故無(wú)法計(jì)算核反應(yīng)釋放的核能
二、填空題(共3小題)
13. 在某恒星內(nèi), 個(gè) 粒子結(jié)合成一個(gè) ,已知 的質(zhì)量為 , 的質(zhì)量為 ,這個(gè)核反應(yīng)放出的能量為 = 。
14. 一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子相遇會(huì)發(fā)生湮滅而轉(zhuǎn)化為一對(duì)光子,設(shè)正、負(fù)電子的質(zhì)量均為 ,普朗克常量為 ,則這一對(duì)光子的頻率為
15. 用中子轟擊鋰核()發(fā)生核反應(yīng),產(chǎn)生氚核和 粒子并放出 的能量。則該核反應(yīng)方程為 ,上述反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為 。(保留兩位有效數(shù)字)
三、解答題(共4小題)
16. 兩個(gè)中子和兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)氦核,同時(shí)釋放一定的核能,中子的質(zhì)量為 ,質(zhì)子的質(zhì)量為 ,氦核的質(zhì)量為 ,試計(jì)算用中子和質(zhì)子生成 的氦時(shí),則要釋放出多少核能?
17. 如果要把 分成 個(gè)質(zhì)子和 個(gè)中子,要給它多少?要把它分成 個(gè) ,要給它多少能量?已知 的核子比結(jié)合能是 , 的核子比結(jié)合能是 。
18. 已知氮核質(zhì)量 ,氧核質(zhì)量 ,氦核質(zhì)量 ,質(zhì)子質(zhì)量 ,試判斷核反應(yīng): 是吸能反應(yīng)還是放能反應(yīng)?能量變化多少?
19. 氘核和氚核反應(yīng)時(shí)的核反應(yīng)方程為 ,已知 的比結(jié)合能是 , 的比結(jié)合能是 , 的比結(jié)合能是 ,試計(jì)算核反應(yīng)時(shí)釋放的能量。
答案
第一部分
1. C
【解析】核力是短程力,超過(guò) ,核力急劇下降幾乎消失,故選項(xiàng)C正確。
核力與萬(wàn)有引力、電磁力不同,故選項(xiàng)AB錯(cuò)誤。
核力與電荷無(wú)關(guān),故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
2. C
【解析】核子間存在著強(qiáng)大的核力,故核反應(yīng)過(guò)程中伴隨著巨大的能量變化。
3. C
【解析】核力是短程力,故C對(duì);核力與萬(wàn)有引力、電磁力不同,故A、B不對(duì);核力與電荷無(wú)關(guān),故D錯(cuò)。
4. B
【解析】 說(shuō)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(shuō)明了能量和質(zhì)量之間存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系,A項(xiàng)錯(cuò)誤,B項(xiàng)正確;核反應(yīng)中的“質(zhì)量虧損”并不是質(zhì)量消失,實(shí)際上是由靜止的質(zhì)量變成運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量,并不是質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量,C項(xiàng)錯(cuò)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)由靜質(zhì)量變成動(dòng)質(zhì)量,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
5. C
【解析】題中核反應(yīng)方程為 ,根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程得 ,C 正確。
6. C
【解析】核力是短程力,超過(guò) ,核力急劇下降幾乎消失,故C對(duì);
核力與萬(wàn)有引力、電磁力不同,故A、B不對(duì);
核力與電荷無(wú)關(guān),故D錯(cuò)。
7. B
8. D
【解析】核子結(jié)合成原子核放出的能量或原子核分解成核子吸收的能量稱為結(jié)合能,故A錯(cuò)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(cuò)誤;重核與中等質(zhì)量原子核相比較,重核的結(jié)合能大,重核的核子平均結(jié)合能比中等核的小,故C錯(cuò)誤;與輕核相比,中等質(zhì)量原子核中一個(gè)核子受到更多其他粒子的強(qiáng)作用力,所以平均結(jié)合能大,結(jié)合能就更大,故D正確。
9. D
【解析】自然界中較輕的原子核,質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等,對(duì)于較重的原子核,中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù),越重的元素,兩者相差越多。選項(xiàng) D 正確。
10. C
【解析】該聚變反應(yīng)方程為 ,故發(fā)生的質(zhì)量虧損是 ,根據(jù)質(zhì)能方程得該反應(yīng)放出的能量 ,選項(xiàng)C正確。
11. B
【解析】核反應(yīng)方程為 ,質(zhì)量虧損 ,所以釋放的能量為 ,選項(xiàng)B正確。
12. C
【解析】一個(gè)鋰核受到一個(gè)質(zhì)子轟擊變?yōu)? 個(gè) 粒子,核反應(yīng)類型是人工核轉(zhuǎn)變,選項(xiàng)A、B均錯(cuò)誤;
反應(yīng)前一個(gè)氫原子和一個(gè)鋰原子共有 個(gè)核外電子,反應(yīng)后兩個(gè)氦原子也是共有 個(gè)核外電子,因此只要將一個(gè)氫原子和一個(gè)鋰原子的總質(zhì)量減去兩個(gè)氦原子的質(zhì)量,得到的恰好是反應(yīng)前后核的質(zhì)量虧損,電子質(zhì)量自然消掉,由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程 可以計(jì)算釋放的核能,選項(xiàng)C正確、D錯(cuò)誤。
第二部分
13.
14.
【解析】 ,則 。
15. ;
【解析】由題得核反應(yīng)方程為
釋放的能量 ,因 得
。
第三部分
16.
【解析】先計(jì)算生成一個(gè)氦核釋放的能量,再根據(jù) 氦核的個(gè)數(shù)即可計(jì)算出釋放的總核能。
核反應(yīng)方程 ,
生成一個(gè)氦核過(guò)程的質(zhì)量虧損 ,
釋放的能量 ,
生成 氦核釋放的能量 。
17. 把 分成 個(gè)質(zhì)子和 個(gè)中子需提供的能量為 ;將 分成 個(gè) 需提供的能量為
【解析】將 分成 個(gè)質(zhì)子和 個(gè)中子所提供的能量為 的結(jié)合能,即為其核子數(shù)與比結(jié)合能的乘積。將 分成 個(gè) 可以看作兩個(gè)過(guò)程:一是將 分成 個(gè)質(zhì)子和 個(gè)中子,然后再將 個(gè)質(zhì)子和 個(gè)中子結(jié)合成 個(gè) ,需提供的能量為此兩個(gè)過(guò)程的能量之差。把 分成 個(gè)質(zhì)子和 個(gè)中子需提供的能量為 。
將 個(gè)質(zhì)子和 個(gè)中子結(jié)合成一個(gè) 所放出的能量為
。
則將 分成 個(gè) 需提供的能量為
。
18. 吸能反應(yīng);
【解析】反應(yīng)前總質(zhì)量
反應(yīng)后總質(zhì)量
因?yàn)榉磻?yīng)中質(zhì)量增加,所以此反應(yīng)為吸能反應(yīng),所吸收能量為 。
19.
【解析】反應(yīng)前氘核和氚核的總結(jié)合能
。
反應(yīng)后生成的氦核的結(jié)合能
。
由于單個(gè)核子無(wú)結(jié)合能,所以反應(yīng)過(guò)程釋放出的能量
。
這是一份人教版 (2019)選擇性必修 第三冊(cè)4 核裂變與核聚變習(xí)題,共4頁(yè)。試卷主要包含了質(zhì)量虧損,填空題,解答題等內(nèi)容,歡迎下載使用。
這是一份人教版 (2019)第五章 原子核4 核裂變與核聚變同步達(dá)標(biāo)檢測(cè)題,共4頁(yè)。試卷主要包含了質(zhì)量虧損,填空題,解答題等內(nèi)容,歡迎下載使用。
這是一份高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第三冊(cè)3 原子的核式結(jié)構(gòu)模型課時(shí)練習(xí),共4頁(yè)。試卷主要包含了電子的發(fā)現(xiàn),原子的核式結(jié)構(gòu),玻爾原子模型等內(nèi)容,歡迎下載使用。
微信掃碼,快速注冊(cè)
注冊(cè)成功