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3　核力与结合能
学习任务一　核力与四种基本相互作用
[教材链接] 阅读教材“核力与四种基本相互作用”相关内容,完成下列填空:
(1)核力:原子核内　　　　之间的相互作用力.它使得核子紧密地结合在一起,形成稳定的原子核.这种作用称为　　　　　　　.
(2)核力特点
①核力是　　　相互作用的一种表现,在它的作用范围内,核力比库仑力大得多.
②核力是　　　　　,作用范围在　　　　　之内.
[物理观念] 四种基本相互作用
例1 [2024·湖南岳阳一中月考] 关于四种基本相互作用的说法正确的是 (　)
A.万有引力只发生在天体与天体之间,质量小的物体(如人与人)之间无万有引力
B.强相互作用只发生在宇宙天体等宏观物体之间
C.弱相互作用就是非常小的物体间的相互作用
D.常见的弹力、摩擦力是由电磁力引起的
[反思感悟]

变式1 (多选)下列说法正确的是 (　)
A.核力是短程力,作用范围很小,只在邻近核子间发生
B.核力可能是引力,也可能是斥力.核力把核子紧紧束缚在核内,形成稳定的原子核,但又不会融合在一起
C.质子间、中子间、质子和中子之间都可能有核力
D.核力是一种弱相互作用,在其作用范围内,核力比库仑力大得多
[反思感悟]

【要点总结】
四种基本相互作用的比较
作用对象 特点 作用范围 举例
引力相 互作用 一切物体之间 随距离增大而减弱 长程力,宏观 重力
电磁相 互作用 电荷间、电流间、磁体间 表现为引力或斥力 长程力,宏观 弹力、摩擦力
强相互 作用 组成原子核的核子间 距离增大时,急剧减小 短程力,微观 核力
(续表)
作用对象 特点 作用范围 举例
弱相互 作用 基本粒子之间 距离增大时,急剧减小,比强相互作用小得多 短程力,微观 基本粒子间的力
学习任务二　结合能
[物理观念] 设有一个质子和一个中子在核力作用下靠近碰撞并结合成一个氘核.若使氘核分解为质子和中子,需要　　　　 (选填“吸收”或“释放”)能量,反过来质子和中子结合成氘核的过程需要　　　　(选填“吸收”或“释放”)能量.
[教材链接] 阅读教材“结合能”相关内容,完成下列填空:
(1)结合能
原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们　　　　,也需要能量,这就是原子核的结合能.这个能量也是核子结合成原子核而　　　　的能量.组成原子核的核子越多,它的结合能　　　　.
(2)比结合能
原子核的结合能与　　　　　之比称作比结合能,也叫平均结合能.比结合能越大,表示原子核中核子结合得越　　　　,原子核越　　　　.
[科学推理] 如图所示是不同原子核的比结合能随质量数变化的曲线.
从图中看出,中等质量的原子核比结合能　　　　重核和轻核的比结合能.比结合能较小的原子核转化为比结合能较大的原子核时需要　　　　能量.
例2 关于原子核的结合能和比结合能,下列说法正确的是 (　)
A.组成原子核的核子越多,它的比结合能越大
B.比结合能越小,原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定
C.单个核子结合成原子核而释放的能量与把原子核拆分成单个核子需要的能量不同
D.原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开成单个核子,需要的能量就是原子核的结合能
[反思感悟]

变式2 [2024·安徽合肥八中月考] 原子核的比结合能曲线如图所示,根据该曲线,下列判断不正确的是 (　)
A.一个重原子核衰变成α粒子和另一原子核,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能
B. He核的结合能约为14 MeV
C.中等质量的原子核最稳定
D.两个H核结合成He核要释放能量
[反思感悟]


学习任务三　质量亏损
[教材链接] 阅读教材“质量亏损”相关内容,完成下列填空:
(1)爱因斯坦质能方程:　　　　.
(2)质量亏损:原子核的质量　　　　组成它的核子的质量之和的现象.
[物理观念] (1)质量亏损Δm的理解
所谓质量亏损,并不是质量消失,减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了.反过来,把原子核分裂成核子,总质量要增加,总能量也要增加,增加的能量要由外部供给.总之,物体的能量和质量之间存在着密切的联系,它们之间的关系就是E=mc2.
(2)质能方程E=mc2的理解
①质能方程说明,一定的质量总是跟一定的能量相联系.物体的总能量和它的质量成正比,即E=mc2.这里所说的总能量,不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量,而是物体所具有的各种能量的总和.
②根据质能方程,物体质量增加,则总能量随之增加;质量减少,总能量也随之减少.但不能认为质量与能量之间存在转化的关系,这时质能方程写成ΔE=Δmc2.
例3 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”是消失的质量转变为能量
D.因为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
例4 [2024·吉林长春十一中月考] 研究表明原子核核子的平均质量(原子核的质量除以核子数)与原子序数有如图所示的关系.一般认为大于铁原子核质量数(56)的为重核,小于则是轻核.下列对该图像的理解正确的是 (　)
A.从图中可以看出,Fe原子核最稳定
B.从图中可以看出,重核A裂变成原子核B和C时,需要吸收能量
C.从图中可以看出,轻核D和E发生聚变生成原子核F时需要吸收能量
D.从图中可以看出,重核随原子序数的增加,比结合能变大
[反思感悟]


变式3 [2024·辽宁沈阳二中月考] 　H的质量是3.016 050 u,质子的质量是1.007 277 u,中子的质量为1.008 665 u.(质量亏损1 u相当于释放931.5 MeV的能量,结果保留2位小数)
(1)写出一个质子和两个中子结合为氚核的核反应方程;
(2)上述核反应过程是吸收还是放出能量 该能量为多少
(3)氚核的结合能和比结合能各是多少
　　　　　 　　　　　 　　　　　
1.(对核力的认识)(多选)关于核力,下列说法正确的是 (　)
A.核力是一种特殊的万有引力
B.原子核内只有质子和质子间有核力作用,而中子和中子之间、质子和中子之间则没有核力作用
C.核力是原子核稳定存在的原因
D.核力是一种短程力
2.(质能方程)(多选)关于爱因斯坦提出的质能方程E=mc2和ΔE=Δmc2,下列说法正确的是 (　)
A.E=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比
B.E=mc2中的E是发生核反应时释放的核能
C.根据ΔE=Δmc2,可以计算核反应中释放的核能
D.两个质子和两个中子结合成一个氦核时,释放出核能,说明此过程中出现了质量亏损
3.(结合能与比结合能)(多选)氘核和氚核的核反应方程为HHen,已知H的比结合能是2.78 MeVH的比结合能是1.09 MeVHe的比结合能是7.03 MeV,下列说法中正确的是 (　)
A.氦原子核由两个质子和两个中子组成,其中两个质子之间三种作用力从大到小的排列顺序为:核力、库仑力、万有引力
B.反应后生成的氦核的结合能为14.06 MeV
C.该核反应过程释放出的能量为17.6 MeV
D.原子核的比结合能大小可反映原子核的稳定程度,该值随质量数的增加而增大
4.(核能计算) (多选)在某些恒星内,3个α粒子结合成一个C,C原子核的质量是12.000 0 u,He原子核的质量是4.002 6 u,已知1 u的质量对应931.5 MeV的能量,则此核反应所释放的核能约为(　)
A.7.265 7 MeV B.5.265 7 MeV
C.1.16×10-12 J D.1.16×10-9 J
3　核力与结合能
[教材链接] (1)核子　强相互作用　(2)①强　②短程力　10-15 m
[物理观念] 更短　
例1　D　[解析] 宇宙万物任何两个物体之间都存在着相互作用的吸引力,这种引力叫作万有引力,故A错误;强相互作用和弱相互作用都存在于微观物质内部,如原子核内核子间作用就是强相互作用,是一种短距作用,只发生在10-15 m的范围内,故B错误;弱相互作用的作用对象是基本粒子之间,故C错误;弹力、摩擦力本质是由电磁力引起的,故D正确.
变式1　ABC　[解析] 核力作用的范围在1.5×10-15 m区域内,只在邻近核子间发生,是短程力,A正确;核力可能表现为引力,也可能表现为斥力,B正确;核力是核子之间的强相互作用,C正确;核力是一种强相互作用,在其作用范围内核力比库仑力大得多,D错误.
[物理观念] 吸收　释放
[教材链接] (1)分开　释放　越大　(2)核子数　牢固　稳定
[科学推理] 大于　释放
例2　D　[解析] 组成原子核的核子越多,它的结合能越大,比结合能未必越大,A错误;比结合能越大,原子核越稳定,B错误;单个核子结合成原子核而释放的能量与把原子核拆分成单个核子需要的能量相同,C错误;根据结合能定义可知,原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开成单个核子,需要的能量就是原子核的结合能,D正确.
变式2　B　[解析] 一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,该过程中要释放能量,所以衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能,故A正确;分析图像可知He核的平均结合能为7 MeV,根据平均结合能的定义可知He核的结合能为7 eV×4=28 eV,故B错误;中等质量的原子核比结合能最大,最稳定,故C正确;两个H核结合成He核,根据图像可知He核的比结合能大于H核的比结合能,所以生成的He核更稳定一些,因此该反应是一个放热反应,故D正确.
[教材链接] (1)E=mc2　(2)小于
例3　B　[解析] E=mc2说明能量和质量之间存在着联系,即能量与质量成正比关系,但并不说明能量和质量之间存在相互转化的关系,故A错误,B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错误;在核反应中,能量守恒,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.
例4　A　[解析] 轻核可聚变为更稳定的核,重核可裂变为更稳定的核,则Fe原子核最稳定,故A正确;重核A裂变成原子核B和C时,由图可知,核子平均质量减小,裂过程存在质量亏损,需要释放能量,故B错误;轻核D和E发生聚变生成原子核F时,由图可知,核子平均质量减小,聚变过程存在质量亏损,需要释放能量,故C错误;由图可知重核随原子序数的增加,原子核更不稳定,故比结合能变小,故D错误.
变式3　(1H+nH　(2)放出能量　7.97 MeV　
(3)7.97 MeV　2.66 MeV
[解析] (1)一个质子和两个中子结合成氚核的核反应方程是H+nH
(2)反应前各核子总质量为
mp+2mn=(1.007 277+2×1.008 665) u=3.024 607 u
反应后新核的质量为mH=3.016 050 u
质量亏损为Δm=(3.024 607-3.016 050) u=0.008 557 u
因反应前的总质量大于反应后的总质量,故此核反应放出能量
释放的核能为ΔE=0.008 557×931.5 MeV≈7.97 MeV.
(3)氚核的结合能即为ΔE=7.97 MeV
它的比结合能为≈2.66 MeV.
随堂巩固
1.CD　[解析] 核力与万有引力、库仑力的性质不同,核力是短程力,只存在于相邻的核子之间,质子间、中子间、质子和中子间都可以有核力作用,核力是原子核稳定存在的原因,故C、D正确.
2.ACD　[解析] E=mc2说明物体具有的能量与其质量成正比,所以A正确;E=mc2中的E是物体蕴含的能量,不是发生核反应时释放的核能,所以B错误;根据ΔE=Δmc2,可以计算核反应中释放的核能,所以C正确;两个质子和两个中子结合成一个氦核时,释放出核能,根据爱因斯坦的质能方程,此过程中出现了质量亏损,所以D正确.
3.AC　[解析] 根据原子核的组成理论,氦原子核由两个质子和两个中子组成,其中两个质子之间三种作用力从大到小的排列顺序为:核力、库仑力、万有引力,故A正确;反应后生成的氦核的结合能为4×7.03 MeV=28.12 MeV,故B错误;氘核的比结合能为E1,氚核的比结合能为E2,氦核的比结合能为E3,根据比结合能等于结合能与核子数的比值,该核反应中释放的核能ΔE=4E3-2E1-3E2=4×7.03 MeV-2×1.09 MeV-3×2.78 MeV=17.6 MeV,故C正确;比结合能越大,表示原子核中核子结合得越牢靠,原子核越稳定,比结合能并非随着质量数的增加而增大,故D错误.
4.AC　[解析] 由爱因斯坦质能方程得ΔE=Δmc2,Δm=3×4.002 6 u-12.000 0 u=0.007 8 u,所以ΔE=7.265 7 MeV=7.265 7×106×1.6×10-19 J≈1.16×10-12 J,故A、C正确.

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