5.3核力与结合能（解析版）.docx

1、5.3 核力与结合能知识点一、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1015 m.(2)距离增大时，强相互作用急剧减小超过1015 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1018 m.4四种基本相互作用知识点二、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

2、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，最稳定结合能和比结合能结合能把原子核分成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量比结合能等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比值，它反映了原子核的稳定程度比结合能曲线不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图所示从图中可看出，中等大小的核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等大小的核的比结合能要小知识点三、质量亏损1质能方程物体的能量与它的质量的关系是：Emc2.2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质量亏损1质量亏损m的理解所谓质量亏损，并不

3、是质量消失，而是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2质能方程Emc2的理解(1)根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写作Emc2.(2)运用质能方程时应注意单位一般情况下，公式中各量都应取国际单位制单位但在微观领域，用国际单位制单位往往比较麻烦，习惯上常用“原子质量单位”和“电子伏特”作为质量和能量的单位，1 u对应931.5 MeV能量核能的计算方法1根据质量亏损计算(1)根据核反应过程，计算核反应前和核反应后的质量

4、亏损m.(2)根据爱因斯坦质能方程Emc2计算核能若m的单位是千克，则需要将c3108 m/s代入，计算得到的E的单位为焦耳若m的单位是原子质量单位u，则可用Em931.5 MeV计算，即用质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV.(1 u相当于931.5 MeV)2利用比结合能来计算核能原子核的结合能核子的比结合能核子数，核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的核能例题1 下列对核力的认识，正确的是（）A核力是强相互作用的一种表现，比静电力大得多B核力存在于质子和电子之间C核力是核子间相互吸引的力，是短程力D核力只存在

5、于相邻的核子之间，具有饱和性【解答】解：A.在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多，但当原子核大到一定程度时，核力将比静电力小得多，故A错误；BD.核力只是存在于质子与质子、中子与中子、质子与中子之间，具有饱和性，故B错误，D正确；C、由核力的特点知道，只有相距约1015m内的核子之间才存在核力，核力在大于0.81015m时表现为引力，而小于0.81015m时核力表现为斥力，故C错误。故选：D。例题2 （2021春虎丘区校级期中）原子核的比结合能随质量数变化的图像如图，下列说法正确的是（）A质量数越大的原子核，核子结合得越牢固B 12H核比 24He核稳定C 3689Kr核的结合能大于 9223

6、5U核的结合能D两个 12H核结合成 24He核时释放能量【解答】解：A、中等质量数的原子核比结合能较大，核子结合得牢固，故A错误；B、 12H核的比结合能比比 24He核的比结合能小，所以 24He更稳定，故B错误；C、 3689Kr核的比结合能大于 92235U核的比结合能，但是 3689Kr核的结合能小于 92235U核的结合能，故C错误；D、两个 12H核结合成 24He核时有质量亏损，则释放能量，故D正确；故选：D。例题3 一个静止的钚核 94239Pu自发衰变成一个铀核 92235U和另一个原子核X，假设该反应没有射线产生，则下列说法正确的是（）AX是氦（He）原子，又叫粒子B该反

7、应质量增加C铀核与X的动量大小之比为1：2DX与铀核的动能之比为235：4【解答】解：A、由原子核衰变时电荷数和质量数守恒可知，X的质量数为4，电荷数为2，即为氦（He）原子核，又叫粒子，不是氦（He）原子，故A错误；B、衰变过程有质量亏损，故B错误；C、钚核衰变过程动量守恒，铀核与X的动量大小相等、方向相反，故C错误；D、根据动能与动量的关系Ek=p22m，可以得到两粒子的动能之比为其质量的反比，即X与铀核的动能之比为235：4，故D正确。故选：D。例题4 （2023广东学业考试）由中科院等离子体物理研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置试用已经成功，标志着我国站在了世界核聚

8、变研究的前端。设可控热核反应前氘核（ 12H）的质量为m1，氚核（ 13H）的质量为m2，反应后氦核（ 24He）的质量为m3，中子（ 01n）的质量为m4，已知真空中的光速为c。下列说法中正确的是（）A核反应放出的能量为（m1+m2m3m4）c2B上述核反应过程中原子核的比结合能减小C这种热核反应释放出氦核，是衰变D这种装置的核反应原理与我国大亚湾核电站所使用核装置的原理相同【解答】解：A可控热核反应装置中发生的核反应方程式是 12H+ 13H 24He+ 01n，核反应过程中存在质量亏损，因此m1+m2m3+m4核反应过程中的质量亏损mm1+m2m3m4释放的核能为Emc2（m1+m2m3

9、m4）c2，故A正确；B因轻核聚变反应释放巨大核能，说明拆开的结合能小于组合的结合能，则生成物的比结合能更大，故B错误；C这种热核实验反应是核聚变反应，而不是自发发生的衰变，故C错误；D这种装置的核反应是核聚变，我国大亚湾核电站所使用核装置是核裂变，它们的核反应原理不相同，故D错误。故选：A。例题5 （多选）下列关于核力与结合能的说法正确的是（）A强相互作用和弱相互作用都是短程力B弱相互作用是引起原子核衰变的原因C原子核的结合能与质子数之比，叫作比结合能D结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定【解答】解：A、强相互作用存在于原子核内，作用范围在1.51015m之内，弱相互作用力是微

10、观粒子之间的一种作用力，作用距离约1018m，都是短程力，故A正确；B、根据目前的研究可知，弱相互作用是引起原子核衰变的原因，故B正确；CD、比结合能：原子核结合能对其中所有核子的平均值，比结合能越大，原子核中核子结合的越牢固，原子核越稳定，故CD错误。故选：AB。例题6 （多选）（2023镇海区校级模拟）中国自主三代核电“华龙一号”示范工程第2台机组福清核电6号机组于2022年3月25日投入商业运行，至此“华龙一号“示范工程全面建成投运。“华龙一号”利用铀核裂变释放能量，原子核的平均结合能与质量数之间的关系图线如图所示，两台机组每年总发电量约200亿千瓦时。下列说法正确的是（）A铀核裂变的一

11、个重要核反应方程是 92235U 56144Ba+ 36289Kr+2 01nB“华龙一号”两台机组发电一年需消耗核约为0.8kgC 24He核的平均核子质量小于 36Li核的平均核子质量D三个中子和三个质子结合成 36Li核时释放能量约为30MeV【解答】解：A、铀核裂变的核反应方程为 92235U+01n 56144Ba+36289Kr+301n，左右两侧的中子不能约去，故A错误；B、根据质能方程Emc2可知“华龙一号”一年产生200亿千瓦时电能对应的质量亏损m=Ec2=2101010003600(3108)2kg=0.8kg，所以其参与反应的铀核质量大于0.8kg，故B错误；C、由题图可

12、知， 24He核的平均结合能大于 36Li核的平均结合能，平均结合能越大，平均核子质量越小，所以 24He核的平均核子质量小于 36Li核的平均核子质量，故C正确；D、因为核子结合成原子核时，存在质量亏损，释放核能，所以三个中子和三个质子结合成 36Li核时释放能量，由题图可知Li核的平均结合能约5Mev，所以其释放的核能约E65MeV30MeV，故D正确。故选：CD。例题7 （2023春秦淮区校级期中）在火星上太阳能电池板发电能力有限，因此科学家们用放射性材料PuO2作为发电能源为火星车供电（PuO2中的Pu是 94238Pu）。已知 94238Pu衰变后变为铀核（符号为U）和粒子。若静止的

13、 94238Pu在匀强磁场中发生衰变，粒子的动能为E，粒子的速度方向与匀强磁场的方向垂直，在磁场中做匀速圆周运动的周期为T0，衰变放出的光子的动量可忽略，衰变释放的核能全部转化为铀核和粒子的动能。已知光在真空中的传播速度c。求：（1）写出衰变方程；（2） 94238Pu衰变过程中的质量亏损m；（3）从开始衰变到 9224U和粒子再次相遇的最短时间t。【解答】解：（1）粒子的质量数为4，电荷数为2，即可表示为： 24He设该衰变方程为： 94238Pu=xyU+24He根据质量数守恒有：238y+4则：y234根据电荷数守恒有：94x+2则：x92故衰变方程为： 94238Pu=92234U+2

14、4He（2）粒子的质量数为4，电荷数为2根据动量守恒定律可知粒子和铀核的动量大小相等，设动量为p粒子的动能：E=p22m铀核的动能：EU=p22M则：EUE=mM=4234=2117所以释放能量为：E=E+EU=119117E且Emc2解得：m=119E117c2（3）根据带电粒子在磁场中运动的周期公式：T=2mBq则：T0TU=mMqUq=4234922=92117所以相遇最短时间：t117T117T01. 氮原子核由两个质子与两个中子组成，这两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则3种力从大到小的排列顺序是（）A核力、库仑力、万有引力B万有引力、库仑力、核力C库仑力、核力、万有引力D核

15、力、万有引力、库仑力【解答】解：核力是强力，它能将核子束缚在原子核内。万有引力最弱，研究核子间相互作用时万有引力可以忽略，故A正确，BCD错误。故选：A。2. 下面关于结合能和平均结合能的说法中，正确的有（）A核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能B平均结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大C重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和平均结合能都大D中等质量原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大【解答】解：A、将原子核拆散成核子与核子结合成原子核两个过程质量的变化相等，将原子核拆散成核子所吸收的能量与核子结合成原子核所放出的能量叫结合能。故A错误。B、比

16、结合能越大，原子核越稳定。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，则原子核越大，它的结合能越高。故B错误。C、重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能大，而平均结合能比较小。故C错误。D、中等质量原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大。故D正确。故选：D。3. 一个中子与某原子核发生核反应，生成一个氘核，该反应放出的能量为Q，则氘核的比结合能为（）AQ2BQCQ3D2Q【解答】解：核反应过程中，由质量数与核电荷数守恒可知，核反应方程式为：10n+11H21H+Q，该反应放出的能量为Q，则氘核的结合能为Q，氘核的比结合能为Q2，故A正确，BCD错误。故选：A。4. 对公式Emc

17、2，下列说法中正确的是（）A能量可以转化为质量B质量可以转化为能量C能量的转化与质量的转化是成比例的D发生核反应时，反应前的总质量大于反应后的总质量，这个反应必须吸收能量才能发生【解答】解：AB、Emc2只说明质量亏损和释放出核能这两种现象的联系，并不是说明物体的质量和能量之间存在着相互转化关系，故A、B错误，C、Emc2，表面物体具有的能量与其质量成正比，故C正确；D、若核反应出现质量亏损情况，则该核反应为放能反应，故D错误。故选：C。5. 下列关于核力、原子核的结合能、比结合能的说法正确的是（）A维系原子核稳定的力是核力，核力就是表现为相邻核子间的相互吸引力B核力是强相互作用的一种表现，原

18、子核尺度内，核力比库仑力小C比结合能小的原子核分解成比结合能大的原子核时会释放核能D自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能【解答】解：A、维系原子核稳定的力是核力，核力可以表现为相邻核子间的相互吸引力，又可以表现为排斥力，故A错误；B、核力是强相互作用的一种表现，原子核尺度内，核力远比库仑力大，故B错误；C、比结合能小的原子核结合或分解成比结合能大的原子核时释放核能，故C正确；D、根据质能方程可知，自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，故D错误。故选：C。6. 88226Ra发生衰变的方程可以写为： 88226Ra 86222Rn+Y，则（

19、）A该衰变是衰变BY粒子是 24HeCY粒子的穿透能力很强D20个 88226Ra经过一个半衰期后，一定只剩下10个【解答】解：ABC、根据质量数守恒和电荷数守恒知该衰变过程中Y是 24He，该衰变为衰变，粒子电离本领最强，穿透能力最弱，故AC错误，B正确；D、半衰期在大量放射性元素衰变的统计规律，半衰期只适用于大量原子核而言才有意义，故D错误；故选：B。7. （2022源汇区模拟）原子核的比结合能与原子序数的关系图所示，大多数恒星内部温度非常高，可进行轻核聚变，核反应方程为A+BC但对于金、铂等重金属产生，目前科学界有一种理论认为，两颗中子星合成过程中会释放巨大的能量，在能量的作用下能够合成

20、金、铂等重金属，其核反应为D+EF，下列说法正确的是（）A重核F裂变成D和E的过程中，会产生质量亏损B较轻的核A和B聚合成C的过程中核子平均质量变大C较重的核D和E聚合成F的过程中，会释放较大能量DA和B聚合成C的过程中，C的结合能小于A和B的结合能之和【解答】解：A、如图，D和E的比结合能大于F比结合能，说明D和E比F要稳定，所以重核F裂变成D和E的过程中，会产生质量亏损，放出能量，故A正确。B、如图，A和B的比结合能小于C比结合能，说明C比A和B都要稳定，所以较轻的核A和B聚合成C的过程中，会产生质量亏损，核子平均质量变小，故B错误。C、在核反应D+EF中，D和E的比结合能大于F比结合能，

21、即反应后核子的质量会增加，这种核反应需要吸收能量，故C错误。D、结合能为比结合能与核子数的乘积；A和B聚合成C的过程中，AB的核子总数等于C的核子数，而A和B的比结合能小于C比结合能，所以C的结合能大于A和B的结合能之和，故D错误。故选：A。8. （2023春宝鸡期末）用中子轰击静止的锂核，核反应方程为 01n+36Li24He+X+，已知光子的频率为，锂核的比结合能为E1，氦核的比结合能为E2，X核的比结合能为E3，普朗克常量为h，真空中光速为c，下列说法中正确的是（）AX核为 12H核B光子的动量p=hcC释放的核能E（4E2+3E3）6E1+hD质量亏损m=(4E2+3E3)-6E1c2

22、【解答】解：A核反应方程中根据质量数和电荷数守恒，X核为 13H核，故A错误；B光子的频率为，可知光子的动量p=h=hc 故B错误；C由比结合能的概念，结合能量转化与守恒，该核反应释放的核能为E（4E2+3E3）6E1故C错误；D根据质能方程，质量亏损为m=(4E2+3E3)-6E1c2 故D正确；故选：D。9. 如图所示是描述原子核核子的平均质量m与原子序数Z的关系曲线，由图可知下列说法正确的是（）A原子核A比原子核F的比结合能大B原子核D比原子核F更稳定C由原子核A分裂出原子核B、C的过程一定释放能量D由原子核D、E结合出原子核F的过程一定吸收能量【解答】解；A、原子核A比原子核F的核子平

23、均质量大，原子核F比原子核A更稳定，故原子核F的比结合能比原子核A的比结合能大，故A错误；D、原子核D比原子核F的核子平均质量大，原子核F比原子核D更稳定，故B错误。C、若原子核A分裂成原子核B、C核子的平均质量减小，有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程，有能量释放，故C正确；B、将原子核D、E结合成原子核F，核子的平均质量减小，有质量的亏损，一定释放能量，故D错误故选：C。10. 一个静止的原子核 baX经衰变放出一个粒子并生成一个新核，粒子的动能为E设衰变时产生的能量全部变成粒子和新核的动能，则在此衰变过程中的质量亏损为（）AE0c2BE0(a-4)c2C(a-4)E0c2DaE0(a-4)c

24、2【解答】解：根据质量数与质子数守恒，可知，Y核质量数为a4，核电荷数为b2，由动量守恒定律可知，mYvY+mava0；两粒子动量P大小相等，则粒子动能E0=P22m；Y核的动能EY=P22mY那么EYE0=mmY=4a-4；衰变过程中放出总能量为EEY+E0=aa-4E0；又由质能方程Emc2可得亏损的质量为：m=EC2=aE0(a-4)C2，故D正确，ABC错误；故选：D。11. （多选）下列说法正确的是（）A光在真空中运动的速度在任何惯性系中测得的数值都是相同的B爱因斯坦质能方程Emc2中的m是物体静止时的质量C爱因斯坦指出：对不同的惯性系，物理规律是不一样的D空中绕地球运行的卫星的质量

25、比静止在地面上时大得多【解答】解：A、光速不变原理认为：在不同的惯性参考系中，真空中的光速是相同的。故A正确。B、爱因斯坦质能方程Emc2中的m是物体静止时的质量；故B正确；C、爱因斯坦狭义相对论提出：对不同的惯性系，物理规律是相同的；爱因斯坦广义相对论提出：对不同的参考系，物理规律是相同的；故C错误；D、由于卫星的速度仍远小于光速，故其质量并不比地面上质量大很多；故D错误；故选：AB。12. （多选）（2022春榆阳区校级期中）下列说法正确的是（）A如果物体的能量减少了E，它的质量也一定相应减少mB如果物体的质量增加了m，它的能量也一定相应增加mc2Cm是某原子核在衰变过程中增加的质量D在把

26、核子结合成原子核时，若放出的能量是E，则这些核子的质量和与组成原子核的质量之差就是m【解答】解：A、由质能方程可知，能量与质量之间存在着一定的必然对应的关系，而不能认为质量就是能量，能量就是质量，能量与质量是两个不同的概念。只有在核反应过程中，对应着质量的减少，才有能量释放出来，AC错误，B正确；Emc2说明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，故D正确。故选：BD。13. 两个动能均为1MeV的氘核发生正面碰撞，引起反应 12H十 12H 13H十 11H。（1）此核反应中放出的能量E为多少？（核质量为2.0316u，核质量为3.0156u，质子质量为1.0

27、073u，lu的质量对应931.5MeV的能量）（2）若放出的能量全部变为新生核的动能，则新生的质子具有的动能是多少？【解答】解（1）此核反应中的质量亏损为m（22.03163.01561.0073）u0.0403 u，则放出的能量为E0.0403931.5 MeV37.5 MeV.（2）因碰前两氘核动能相同，相向正碰，故碰前的总动量为零，因核反应过程中动量守恒，故碰后质子和氚核的总动量也为零，设质子和氘核的动量分别为p1、p2，则必有p1p2设碰后质子和氚核的动能分别为Ek1和Ek2，质量分别为m1和m2，则Ek1Ek2=p122m1p222m2=m2m1=31 故新生的质子的动能Ek1=34(E+2MeV)=34（37.5+2）MeV29.625 MeV.