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第五章 原子与原子核
第三节 核力与核反应方程
粤教版（2019）高中物理选择性必修第三册
一、原子核的组成
如果原子核只是由质子组成，它的电荷数应该与质量数相等，而实际上绝大部分原子核的电荷数只是质量数的一半或者还少一些。因此，卢瑟福预言原子核内应该还存在着质量跟质子差不多的不带电的中性粒子，他把这种粒子称为中子。后来他的学生查德威克在用射线轰击铍时产生了一种能量较高、贯穿能力很强的中性粒子，并证实这就是卢瑟福所预言的中子。精确的测量表明，中子的质量非常接近于质子的质量，只比后者大千分之一。质子用符号p表示，其质量为????????=????.????????????????×?????????????????????????中子用符号n表示，其质量为????????=????.????????????????×?????????????????????????
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【理论·探究】
发现中子以后，科学家们很快达成了共识：原子核是由中子和质子组成的，中子与质子的质量几乎相等。组成原子核的中子和质子被统称为核子。由于原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，我们把这个倍数叫作原子核的质量数，原子核的质量数就是核内的核子数。一个质量数为A、电荷数为Z的原子核包含Z个质子和(A-Z)个中子。原子核常用符号????????????表示，其中X为元素符号。
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二、核反应方程
【理论·探究】
利用天然放射性的高速粒子或人工加速的粒子去轰击原子核，以产生新的原子核，这个过程叫作核反应。在核反应过程中，原子核的质量数和电荷数会发生变化，同时伴随着能量的释放或吸收，所放出或吸收的能量叫作反应能，这个过程可以用一个核反应方程来表述。例如，前面提到的卢瑟福用α粒子轰击氮核而发现了质子的核反应方程可以写为：
????????????????+????????????????→????????????????+????????????
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用α粒子轰击铍核而发现了中子的核反应方程可以写为
????????????????+????????????????→????????????????+????????????
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大量的实验测量表明，在核反应过程中，方程两边总的质量数和电荷数是守恒的。原子核在发生衰变时也具有相同的特点，电荷数和质量数总是守恒的。
三、核力及四种基本相互作用
原子核内部中子不带电，质子带正电，按照库仑定律，核内质子会相互排斥，为什么它们还能稳定束缚在原子核里面呢？
组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，它使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起，这种力被称为核力。实验表明，核力是一种很强的力，在0.5×?????????????????～????×?????????????????的距离内主要表现为引力，在大于????×?????????????????m的距离时核力迅速减小为零，所以核力是一种短程力。在小于0.5×?????????????????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。核力属于强相互作用，是自然界四种基本相互作用之一。
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存在于一切物体之间的万有引力是另一种基本相互作用，地面上的物体所受的重力就是万有引力在地球表面附近的一种表现。
电荷之间同样存在相互作用。同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引，两个磁体之间也存在类似的相互作用。 19世纪后，人们认识到电荷间、磁体间的相互作用，其本质上是同一种相互作用的不同表现，这种相互作用被称为电磁相互作用，它也是自然界的一种基本相互作用。
在放射现象中起作用的还有另一种基本相互作用——弱相互作用。最早观察到的弱相互作用现象是原子核的β衰变，后来又观察到介子、重子和轻子通过弱作用的衰变和中微子散射等弱作用过程。弱相互作用的力程比强相互作用更短，为10-18m，但强度只是强相互作用的10-12倍。
包括爱因斯坦在内的许多物理学家认为四种基本相互作用可能是某种相互作用在不同条件下的不同表现，就像电和磁是电磁相互作用的不同表现形式一样。为此，物理学家做了大量研究工作，但至今没有得到实验的检验。
四、结合能
由于核子间存在着强大的核力，要把原子核拆散成核子，需要克服核力做功，也就是说需要提供一定的能量。反过来，根据能量守恒，核子结合成原子核时也会放出一定的能量。我们把这个能量叫作原子核的结合能。原子核的结合能很难直接测量，但是可以计算。核子结合成原子核时，反应前后存在质量亏损，此亏损的质量与反应中释放的能量相对应，它们之间的关系遵循爱因斯坦的质能方程
?????=?????????????
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式中△E为结合能，△m为质量亏损。原子核的结合能与核子数之比被称为该原子核的比结合能，也叫平均结合能。它反映了一个原子核内核子相互结合的紧密程度，比结合能越大，原子核越稳定。图5-3-3给出了不同原子核的比结合能随质量数A的变化情况。
1.下列说法正确的是（　　）
A．增大放射性元素的压力和温度，可使该元素的衰变变快
B．一个氘核的质量小于一个质子和一个中子的质量和
C．氡的半衰期为3.8天，若有4个氡原子核，经过7.6天就只剩下1个
D．氢原子核外电子从n=1的轨道跃迁到n=3的轨道时，电子的动能变大、电势能减小
B
课堂练习
2.通过百余年核物理的发展和进步，人们已经对原子核有了更进一步的认识，下列说法正确的是（　　）
A．两个质子之间，不管距离如何，核力总是大于库仑力
B．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需要的能量
C．比结合能越小，原子核越稳定
D．由爱因斯坦质能方程可知，质量和能量可以相互转化
B
课堂练习
3.下列关于结合能和比结合能的说法正确的是（　　）
A．铀核裂变是生成钡核和氪核，钡核的比结合能比铀核小
B．氘核与氚核结合成氨核，比结合能减小
C．铀核发生α衰变生成钍核，释放能量，则铀核的比结合能比钍核小
D．结合能越大，原子核越稳定
C
4.如图所示，一个原子核X经图中所示的一系列α、β衰变后，生成稳定的原子核Y。下列说法正确的是（　　）
A．此过程发生了7次α衰变
B．此过程发生了8次β衰变
C．原子核X发生α衰变的半衰期与温度有关
D．原子核X的比结合能比原子核Y的比结合能大
A
5.关于物理学史和物理概念，下列说法正确的是（　　）
A．在光电效应中，入射光的频率越大，金属的逸出功越大
B．卢瑟福通过α粒子散射实验，得到原子中带正电部分体积很小，但几乎占有全部质量
C．按照玻尔理论，氢原子核外电子轨道半径越大，其电子动能越大，但总能量越低
D．原子核的结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定
B
6.下列说法正确的是（　　）
A．相同频率的光照射到不同的金属上，逸出功越大，出射的光电子最大初动能越小
B．钍核????????????????????????????衰变成镤核????????????????????????????，放出一个中子，并伴随着放出γ光子
C．根据玻尔理论，氢原子辐射出一个光子后能量减小，核外电子运动的加速度减小
D．比结合能越小表示原子核中的核子结合得越牢靠，原子核越稳定
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A
7.下列说法中正确的是（?????）
A．氢原子由高能级跃迁到低能级时，电子的动能增加，原子的电势能减少，总能量不变
B．天然放射现象中的β射线实际是高速电子流，穿透能力比α粒子强
C．原子核的平均结合能越小，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定
D．放射性元素的半衰期会随温度或压强的变化而变化
B
8.下列说法正确的是（　　）
A．电子与X射线都能发生衍射现象，说明电子与X射线都是电磁波
B．α粒子散射实验中，个别α粒子穿过金箔后偏转角接近180°，是原子中的电子对α粒子作用的结果
C．核子结合在一起，质量就会亏损，说明原子核的质量大于构成它的所有核子单独存在时的总质量
D．原子的发光频率只与原子的内部结构有关，可以把某种原子的光谱当作该原子的“特征谱线”
D
9.卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，产生了氧的一种核素X和一个质子，这是人类第一次实现原子核的人工转变。已知α粒子、氮原子核、氧的核素X、质子的质量分别为4.0026u、14.0073u、17.0045、1.0078u，核反应时质量亏损1 u释放的核能约为931 MeV。则下列说法正确的是（　　）
A．X的核子数为16
B．核反应中释放的能量约为2.33 MeV
C．X核比α粒子更稳定，是因为X核的结合能大
D．若用动能为2 MeV的α粒子轰击静止的氮原子核，该核反应一定不能发生
D
10.核电池是各种深空探测器中最理想的能量源，它不受极冷极热的温度影响，也不被宇宙射线干扰，钚-238同位素温差电池的原理是其发生衰变时将释放的核能转化为电能。已知钚-238衰变方程为????????????????????????????→????????????????????????+????。下列说法正确的是（　　）
A．衰变放出的射线是高速氦核流，它的贯穿能力很强
B．????????????????????????????的核子的平均质量小于????????????????????????的核子的平均质量
C．????????????????????????????的比结合能小于????????????????????????的比结合能
D．????????????????????????????的原子核比????????????????????????的原子核多4个中子
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C
课堂小结
一、原子核的组成1．质子的发现：1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子。 2．中子的发现：卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着一种质量与质子相同，但不带电的粒子，称为中子，查德威克通过实验证实了中子的存在，中子是原子核的组成部分。3．原子核的组成：原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。 4．原子核的符号
5．同位素：具有相同质子数而中子数不同的原子核组成的元素，在元素周期表中处于同一位置，它们互称为同位素．例如，氢有三种同位素????????????、????????????、????????????。
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课堂小结
二、核反应方程1．定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或者发生状态变化的过程。2．原子核的人工转变：卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，核反应方程 ????????????????+????????????????→????????????????+????????????。3．遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒。
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课堂小结
三、核力与四种基本相互作用1．核力：原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核．这种作用称为强相互作用。2．强相互作用的特点(1)强相互作用是短程力，作用范围只有约10－15 m。(2)距离增大时，强相互作用急剧减小．超过10－15 m，相互作用不存在。3．弱相互作用(1)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因。(2)弱相互作用是短程力，其力程只有10－18 m。
课堂小结
四、结合能1．结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。2．比结合能原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫作平均结合能．比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定．中等大小的核的比结合能最大，最稳定。
五、质量亏损1．质能方程：物体的能量与它的质量的关系是：E＝mc2。2．质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。
课堂训练
1.关于原子核的变化、核能及核力，下列说法正确的是（　　）
A．核力是一种弱相互作用，只能发生在原子核内相邻核子之间
B．某原子经过一次α衰变和两次β衰变后，核内质子数不变
C．放射性原子核X发生衰变，衰变产物的结合能之和一定大于原来X的结合能
D．原子核发生衰变时，不遵循能量守恒定律，但遵循动量守恒定律
BC
课堂训练
2.关于原子学中，下列说法中正确的是（　　）
A．氡的半衰期为3.8天，10000个氡原子核经过3.8天后剩下5000个没有发生衰变。
B．发现天然放射现象的意义在于使人类认识到原子核具有复杂的结构
C．比结合能越大，原子核中核子结合的越牢固，原子核越稳定
D．氢原子的核外电子，在由离核较远的轨道自发跃迁到离核较近的轨道的过程中，放出光子，电子动能增加，原子的电势能增加
BC
课堂训练
3.下列说法正确的是（　　）
A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量
B．结合能越大，原子中核子结合得越牢固，原子核越稳定
C．在核反应过程的前后，反应体系的质量数守恒，但总质量一定减少
D．一重原子核衰变成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
AD
课堂训练
4.下列说法正确的是（　　）
A．在黑体辐射中，黑体的温度越高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
B．根据玻尔原子理论，氢原子在辐射光子的同时，电子的轨道半径也在连续地减小
C．原子核中的中子与其他核子间没有库仑力，但有核力，有助于维系原子核的稳定
D．一束光照射到某种金属上能发生光电效应，减小光的强度，可能没有光电子逸出
AC
课堂训练
5.原子比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列说法正确的有（　　）
A． 比结合能大于 ，所以 可以裂变成 而放出核能
B．比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定
C． 比 更稳定，结合能更大
D． 平均核子质量小于
BD
课堂训练
6.如图所示是原子核的平均结合能（也称比结合能）与质量数的关系图像，通过该图像可以得出一些原子核的平均结合能，如????????????????的核子平均结合能约为8MeV ，????????????????的核子平均结合能约为7 MeV，根据该图像判断下列说法正确的是（　　）
A．随着原子质量数的增加，原子核的平均结合能增大
B．????????????????????????核的平均结合能最大，最稳定
C．把????????????????分成8个质子和8个中子比把????????????????分成4个????????????????要多提供约16 MeV的能量
D．把????????????????分成8个质子和8个中子比把????????????????分成4个????????????????要多提供约112 MeV的能量
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BD

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