1、高中物理重点专题解析及能力提升 19一、核力与原子核中的质子、中子1核力与四种基本相互作用(1)核力原子核内核子之间的相互作用力；特点：a核力是强相互作用(强力)的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多；b核力是短程力，作用范围在1.51015_m之内；c核力的饱和性：每个核子只跟邻近的核子发生核力作用。(2)四种基本相互作用2原子核中质子与中子的比例(1)自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等。(2)较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多。说明1核力表现方面：核力并不只是引力，当距离小于0.81015 m时，表现为斥力，核子不会融合在一起。2原子核的质子数与中
2、子数方面：较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，较重的原子核中子数大于质子数。判一判1原子核中的质子是靠自身的万有引力聚在一起的()2核力是强相互作用力，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多()3在原子核的组成中，质子数等于中子数()二、结合能与质量亏损1结合能：把结合成原子核的核子分开所需要的能量或核子在核力作用下结合成原子核释放的能量。2比结合能：原子核的结合能与核子数之比称做比结合能，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牢固，原子核越稳定，中等大小的核的比结合能最大、最稳定。3质量亏损(1)爱因斯坦质能方程：Emc2。(2)质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之
3、和的现象。(3)若在核反应前后质量亏损为m，则核反应释放的核能Emc2。注意1原子核的核子数大时，其结合能也较大，但其平均结合能不一定大。2爱因斯坦质能方程说明了质量和能量这两个物理量间的对应关系，说明有质量就有能量，并不是说质量转化为能量。选一选多选对结合能、比结合能的认识，下列说法正确的是()A核子结合为原子核时，一定释放能量B核子结合为原子核时，可能吸收能量C结合能越大的原子核越稳定D比结合能越大的原子核越稳定解析：选AD由自由核子结合成原子核的过程中，核力做正功，释放出能量。反之，将原子核分开变为自由核子，它需要吸收相应的能量，该能量即为结合能，故A正确，B错误；组成原子核的核子越多，
4、它的结合能越大，但它的比结合能不一定大，比结合能越大的原子核越稳定，故C错误，D正确。1.比结合能曲线不同原子核的比结合能随核子数变化图线如图所示。从图中可看出，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小。2比结合能与原子核稳定性的关系(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该核越稳定。(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等大小的核比结合能较大，表示原子核较稳定。(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可释放核能。例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数
5、小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。典型例题例1.多选(2018上海中学期中)如图是各种元素的原子核中核子的平均质量与原子序数Z的关系图象，由此可知()A若原子核D和E结合成原子核F，结合过程一定会释放能量B若原子核D和E结合成原子核F，结合过程一定要吸收能量C若原子核A分裂成原子核B和C，分裂过程一定会释放能量D若原子核A分裂成原子核B和C，分裂过程一定要吸收能量解析因D、E的核子平均质量比F的大，因此，原子核D和E结合成原子核F时，有质量亏损，结合过程中一定会释放能量，A正确，B错误；而原子核A的核子平均质量比原子核B、C的核子平均质量大，
6、因此，原子核A分裂成原子核B和C时，有质量亏损，所以分裂过程中一定会释放能量，C正确，D错误。答案AC点评结合能的应用技巧1组成原子核的核子越多，结合能越高。2结合能与核子个数之比称做比结合能，比结合能越大原子核越稳定。3结合能通常只用在原子核中。即时巩固1一个中子与某原子核发生核反应，生成一个氘核，其核反应方程式为_。该反应放出的能量为Q，则氘核的比结合能为_。解析：核反应方程式为nHH。核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫原子核的结合能。它的结合能与核子数之比，称为比结合能，由题意知氘核的核子数为2，所以比结合能为。答案： nHH1.对质能方程Emc2的理解(1)质能方程说明，一定的质量
7、总是跟一定的能量相联系。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，等于光速的平方与其质量之积，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核能的计算方法(1)根据质量亏损计算其步骤如下：根据核反应方程，计算核反应前和核反应后的质量亏损m；根据爱因斯坦质能方程Emc2或Emc2计算核能。(2)利用原子质量单位u和能量单位eV间的关系计算其步骤如下：原子质量单位u和能量单位eV间的关系：1 u相当于931.5
8、 MeV；根据，原子质量单位u相当于931.5 MeV的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即Em931.5 MeV。典型例题例2.一个锂核受到一个质子的轰击，变成两个粒子。已知质子的质量是1.673 6 1027 kg，锂核的质量是11.650 51027 kg，氦核的质量是6.646 61027 kg。(1)写出上述核反应的方程；(2)计算上述核反应释放出的能量。(结果保留3位有效数字)解析(1)核反应的方程为LiH2He。(2)核反应的质量亏损mmLimH2m(11.650 510271.673 6102726.646 61027)kg3.09102
9、9 kg释放的能量Emc23.091029(3108)2 J2.781012 J。答案(1) LiH2He(2)2.781012 J点评核能的两种单位换算技巧1若以kg为质量亏损m的单位，则计算时应用公式Emc2。2若以原子质量单位“u”为质量亏损单位，则Em931.5 MeV。3两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1 MeV11061.61019 J1.61013 J。即时巩固22个质子和1个中子结合可以生成氦3，核反应方程为：2HnHe。已知每个质子的质量为1.007 277 u，中子的质量为1.008 665 u，氦核的质量为3.002 315 u，试求氦3的结合能(1 u
10、相当于931.5 MeV，e1.61019 C)。解析：粒子结合前后的质量亏损为m2mHmnmHe0.020 904 u由于1 u相当于931.5 MeV，则结合能为E0.020 904931.5 MeV19.472 1 MeV3.115 51012 J。答案：19.472 1 MeV(或3.115 51012 J)1关于核力的说法正确的是()A核力同万有引力没有区别，都是物体间的作用B核力就是电磁力C核力是短程力，作用范围在1.51015 m之内D核力与电荷有关解析：选C核力是短程力，距离超过1.51015 m，核力急剧下降几乎消失，C正确；核力与万有引力、电磁力不同，A、B错误；核力与电荷
11、无关，D错误。2(2018广州高二检测)氦原子核由两个质子与两个中子组成，两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则这三种力从大到小的排列顺序是()A核力、万有引力、库仑力 B万有引力、库仑力、核力C库仑力、核力、万有引力 D核力、库仑力、万有引力解析：选D由三种力的性质和特点可知，核力库仑力万有引力，故D项正确。3激光中子是由重原子核吸收光子后发射中子而产生的，光子的极限能量大约是10 MeV。假定中子从原子核上向外移开距离1013 cm所受的核力保持不变，则平均核力的数量级是()A103 N B10 N C103 N D无法计算解析：选C核力是一种很强的力，应存在于相邻的核子之间，作用范
12、围在1.51015 m之内，由题意知，FdWE，则FN1.6103 N，故选项C正确。4某核反应方程为HHHeX。已知H的质量为2.013 6 u， H的质量为3.018 0 u， He的质量为4.002 6 u，X的质量为1.008 7 u。则下列说法中正确的是()AX是质子，该反应释放能量BX是中子，该反应释放能量CX是质子，该反应吸收能量DX是中子，该反应吸收能量解析：选B根据核反应过程中质量数、电荷数守恒，可得HHHeX，即X为中子，A、C错误；在该反应发生前，反应物的总质量m1(2.013 63.018 0)u5.031 6 u，反应后产物总质量m2(4.002 61.008 7)u
13、5.011 3 u，总质量减少，出现了质量亏损，故该反应释放能量，B正确，D错误。5(2018扬州中学期末)“正电子湮灭”是指正电子与电子相遇后一起消失而放出光子的过程，若一个电子和一个正电子碰撞发生湮灭转化成一对光子，正、负电子的质量均为m，相碰前动能均为Ek，光速为c，普朗克常量为h，则碰撞过程中系统动量是否守恒？光子的频率为多少？解析：碰撞过程中动量守恒，根据能量守恒可得2Ek2mc22h，故光子的频率为。答案：守恒基础练一、选择题1多选(2018南京师大附中期中)对于核力，下列说法正确的是()A核力是弱相互作用，作用力很小B核力是强相互作用，是强力C核子之间的距离小于0.81015 m
14、时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起D人们对核力的了解很清楚，特别是在小于0.81015 m时，更清楚核力的变化规律解析：选BC核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围在1.51015 m之内，核力比库仑力大得多，是强力，B正确，A错误；核力在大于0.81015 m时，表现为吸引力，且随距离增大而减小，在距离小于0.81015 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起，C正确；人们对核力的了解还不是很清楚，这是科学家们正在奋力攻克的堡垒，D错误。2多选关于原子核的结合能与平均结合能，下列说法中正确的是()A原子核的结合能等于核子与核子结合成原子核时核力做的功B原子核的结合能等于核子从
15、原子核中分离时外力克服核力做的功C平均结合能是核子与核子结合成原子核时平均每个核子放出的能量D不同原子核的平均结合能不同，重核的平均结合能比轻核的平均结合能大解析：选ABC原子核中，核子与核子之间存在核力，要将核子从原子中分离，需要外力克服核力做功，外力克服核力所做的功等于原子核的结合能；当自由核子结合成原子核时，核力将做功，释放能量，核力所做的功等于原子核的结合能；对于某种原子核，平均每个核子的结合能称为平均结合能；不同原子核的平均结合能不同，重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能要小，轻核的平均结合能比稍重的核的平均结合能要小，综上所述，A、B、C正确。3多选对于爱因斯坦提出的质能方程E
16、mc2，下列说法中正确的是()AEmc2表明物体具有的能量与其质量成正比B根据Emc2可计算核反应的能量C一个质子和一个中子结合成一个氘核时释放能量，表明此过程出现了质量亏损DEmc2中的E是发生核反应中释放的核能解析：选ABC质能方程Emc2中E表示物体具有的总能量，m表示物体的质量，A正确，D错误；根据Emc2，可以计算核反应的能量，一个质子和一个中子结合成一个氘核时释放能量，根据爱因斯坦质能方程知，该过程有质量亏损，B、C正确。4多选一静止的铝原子核Al俘获一速度为1.0107 m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核Si。下列说法正确的是()A核反应方程为pAlSiB核反应过程中系统
17、动量守恒C核反应过程中系统能量不守恒D核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和解析：选AB核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒，A项正确；微观粒子在相互作用过程中，满足动量守恒定律，B项正确；题述核反应过程属于完全非弹性碰撞，机械能有损失，但对于封闭的系统，能量仍然守恒，C项错误；核反应过程中的机械能有损失，故存在质量亏损现象，D项错误。5原子质量单位为u,1 u相当于931.5 MeV的能量，真空中光速为c，当质量分别为m1和m2的原子核结合为质量为M(单位均为kg)的原子核时释放出的能量是()A(Mm1m2)uc2B(m1m2M)u931.5 JC(m1m2M)c2D(m
18、1m2M)931.5 eV解析：选C在核能计算时，如果质量的单位是kg，则用Emc2进行计算，如果质量的单位是u，则利用1 u相当于931.5 MeV的能量计算，即Em931.5 MeV 进行计算，mm1m2M，故C正确，A、B、D错误。二、非选择题6(2018重庆八中期末)某些建筑材料可产生放射性气体氡，氡可以发生或衰变，如果人长期生活在氡浓度过高的环境中，那么氡会经过人的呼吸道沉积在肺部，并放出大量的射线，从而危害人体健康。原来静止的氡核(Rn)发生一次衰变生成新核钋(Po)，并放出一个能量E00.09 MeV的光子。已知放出的粒子的动能E5.55 MeV。忽略放出光子的动量，但考虑其能量
19、，1 u相当于931.5 MeV。(1)写出衰变的核反应方程；(2)衰变过程中总的质量亏损为多少？(结果保留3位有效数字)解析：(1)氡核发生衰变，核反应方程为RnPoHe。(2)忽略光子的动量，由动量守恒定律有0ppPo又Ek可得新核钋的动能为EPoE由题意知，质量亏损对应的能量以光子的能量、新核钋和粒子的动能形式出现，衰变时释放出的总能量为EEEPoE0mc2则衰变过程中总的质量亏损m0.006 16 u。答案：(1) RnPoHe(2)0.006 16 u提能练一、选择题1(2018重庆育才中学期中)下列关于结合能和比结合能的说法正确的是()A核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子
20、放出的能量称为结合能B比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，重核的结合能和比结合能都大D中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大解析：选D核子结合成原子核释放出的能量或原子核拆解成核子吸收的能量称为结合能，故A错误；比结合能越大的原子核越稳定，它的结合能还和核子的数量有关，故B错误；重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能大，重核的比结合能比中等质量原子核的小，故C错误；中等质量原子核的比结合能和结合能比轻核的都大，故D正确。2核子结合成原子核或原子核分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化，这是因为()A原子核带正电，电子带负电，电荷间存在很大的
21、库仑力B核子具有质量且相距很近，存在很大的万有引力C核子间存在强大的核力D核子间存在着复杂磁力解析：选C核反应中核能的变化，是因为核子间存在着特别强大的核力，不是因为万有引力，也不是因为库仑力或磁力，这些力与核力相比都很小，故C正确。3(2018哈尔滨六中期中)如图所示，图线表示原子核的比结合能与核子数的关系，据此下列说法中正确的是()A重的原子核，例如，铀核U，因为它的核子多，核力大，所以结合得坚固而稳定B锂核Li的核子的比结合能比铀核的比结合能小，因而比铀核结合得更坚固更稳定C原子核结合的松紧程度可以用“比结合能”来表征，比结合能的定义是原子核的结合能与其核子数之比，比结合能越大的原子核越
22、稳定D以上三个表述都错误解析：选C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，而组成原子核的核子越多，它的比结合能并不是越大，只有当比结合能越大时，原子核中的核子结合得越牢固，原子核越稳定，故C正确，A、B、D错误。4(2017全国卷)一静止的铀核放出一个粒子衰变成钍核，衰变方程为UThHe。下列说法正确的是()A衰变后钍核的动能等于粒子的动能B衰变后钍核的动量大小等于粒子的动量大小C铀核的半衰期等于其放出一个粒子所经历的时间D衰变后粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量解析：选B静止的铀核在衰变过程中遵循动量守恒，由于系统的总动量为零，因此衰变后产生的钍核和粒子的动量等大反向，
23、即pThp，B项正确；因此有，由于钍核和粒子的质量不等，因此衰变后钍核和粒子的动能不等，A项错误；根据半衰期的定义可知，C项错误；由于衰变过程释放能量，根据爱因斯坦质能方程可知，衰变过程有质量亏损，D项错误。5多选用质子轰击锂核(Li)生成两个粒子，以此进行验证有名的爱因斯坦的质能方程的实验。已知质子初动能是0.6 MeV，质子、粒子和锂核的质量分别是1.007 3 u、 4.001 5 u和7.016 0 u。已知1 u相当于931.5 MeV，则下列叙述中正确的是()A此反应过程质量减少0.010 3 uB生成两个粒子的动能之和是18.3 MeV，与实验相符C核反应中释放的能量是18.9
24、MeV，与实验相符D生成的两个粒子的动能之和是19.5 MeV，与实验相符解析：选CD核反应过程中的质量亏损为mmLimH2m0.020 3 u，释放的核能为Em931.5 MeV18.9 MeV，两个粒子的动能之和为2EkEEkH 19.5 MeV，故A、B错误，C、D正确。二、非选择题6用中子轰击锂核Li发生核反应，生成氚核H和粒子，并放出4.8 MeV的能量， 1 u相当于931.5 MeV。(1)写出核反应方程；(2)求出质量亏损；(3)若中子和锂核是以等值反向的动量相碰，则氚核和粒子的动能之比是多少？(4)粒子的动能是多大？解析：(1)核反应方程为LinHHe4.8 MeV。(2)由Emc2可得mu0.005 2 u。(3)根据题意有0m1v1m2v2式中m1、m2、v1、v2分别为氚核和粒子的质量和速度，由上式及动能Ek，可得它们的动能之比为Ek1Ek2m2m143。(4)粒子的动能Ek2(Ek1Ek2)4.8 MeV2.06 MeV。答案：(1) LinHHe4.8 MeV(2)0.005 2 u(3)43(4)2.06 MeV
