第十六章

原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性原子核

第84講原子結(jié)構(gòu)與原子核

基礎梳理·易錯辨析

核心考點·重點突破

提能訓練練案[84]

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基礎梳理·易錯辨析

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一、原子結(jié)構(gòu)

1．電子的發(fā)現(xiàn)：英國物理學家____J_．__J_.湯__姆__孫______發(fā)現(xiàn)了電子。

2．α粒子散射實驗

(1)1909—1911年，英籍物理學家__盧__瑟__福____進行了α粒子散射實

驗，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。

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(2)α粒子散射實驗的結(jié)果：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，基本上仍沿

原來的方向前進，但有__少__數(shù)____α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度

甚至大于90°，也就是說它們幾乎被“撞了回來”，如圖所示。

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3．原子的核式結(jié)構(gòu)

原子的核式結(jié)構(gòu)模型：原子中帶正電部分的體積__很__小____，但幾乎

占有全部___質(zhì)__量___，電子在正電體的外面運動。

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二、氫原子光譜

1．光譜

用光柵或棱鏡可以把光按波長展開，獲得光的___波_長____(頻率)和強

度分布的記錄，即光譜。

2．光譜分類

有些光譜是一條條的__亮__線____，這樣的光譜叫作線狀譜。有的光譜

是連在一起的___光__帶___，這樣的光譜叫作連續(xù)譜。

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3．氫原子光譜的實驗規(guī)律：

4．光譜分析：利用每種原子都有自己的___特_征__譜__線____可以用來鑒

別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，且靈敏度很高。在發(fā)現(xiàn)和鑒別化學元素

上有著重大的意義。

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三、玻爾理論能級

1．玻爾的三條假設

(1)定態(tài)：原子只能處于一系列___不__連__續(xù)___的能量狀態(tài)中，在這些能

量狀態(tài)中原子是__穩(wěn)__定____的，電子雖然繞核運動，但并不向外輻射能

量。

(2)躍遷：原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時，它輻射或吸收一定

頻率的光子，光子的能量由這兩個定態(tài)的能量差決定，即hν＝

－－

____E_m___E__n___。(h是普朗克常量，h＝6.63×1034J·s)

(3)軌道：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運動相

對應。原子的定態(tài)是_不__連__續(xù)__的__，因此電子的可能軌道也是_不__連__續(xù)__的__。

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2．基態(tài)和激發(fā)態(tài)

原子能量最低的狀態(tài)叫__基__態(tài)___，其他能量較高的狀態(tài)叫_激__發(fā)__態(tài)__。

3．氫原子的能級和軌道半徑

(1)氫原子的能級公式：En＝__________(n＝1,2,3，…)，其中E1為

－

基態(tài)能量，其數(shù)值為E1＝____1_3_._6_e_V____。

2

nr1

(2)氫原子的半徑公式：rn＝________(n＝1,2,3，…)，其中r1為基態(tài)

－10

半徑，又稱玻爾半徑，其數(shù)值為r1＝0.53×10m。

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4．氫原子的能級圖

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四、天然放射現(xiàn)象和原子核

1．天然放射現(xiàn)象

放射性元素___自__發(fā)_地____放出射線的現(xiàn)象，首先由___貝__可__勒__爾___發(fā)

現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有___復__雜___的結(jié)構(gòu)。

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2．三種射線的比較

高速電子流

2e

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項目α射線β射線γ射線

符號__________0－1eγ

速度可達0.1c可達0.99c___c___

穿透能力最弱較強__最__強____

對空氣的電離作用很強較弱__很__弱____

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3．放射性同位素的應用與防護

(1)放射性同位素：有__天__然____放射性同位素和___人__工___放射性同位

素兩類，放射性同位素的化學性質(zhì)相同。

(2)應用：消除靜電、工業(yè)探傷、做___示__蹤__原__子___等。

(3)防護：防止放射性對人體組織的傷害。

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4．原子核的組成

(1)原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為___核__子___。質(zhì)子帶

正電，中子不帶電。

(2)基本關(guān)系

①核電荷數(shù)(Z)＝質(zhì)子數(shù)＝元素的原子序數(shù)＝原子的_核__外__電__子__數(shù)___。

②質(zhì)量數(shù)(A)＝___核__子__數(shù)___＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù)。

質(zhì)量數(shù)

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五、原子核的衰變、半衰期

1．原子核的衰變

(1)原子核放出α粒子或β粒子，變成另一種___原__子__核___的變化稱為原

子核的衰變。

(2)分類

0－1e

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2．半衰期

(1)定義：放射性元素的原子核有__半__數(shù)____發(fā)生衰變所需的時間。

(2)影響因素：放射性元素衰變的快慢是由核__內(nèi)__部____自身的因素決

定的，跟原子所處的化學狀態(tài)和外部條件沒有關(guān)系。

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六、核力和核能

1．核力

原子核內(nèi)部，___核__子__間___所特有的相互作用力。

2．結(jié)合能

核子結(jié)合為原子核時__釋__放___的能量或原子核分解為核子時__吸__收___

的能量，叫作原子核的結(jié)合能。

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3．比結(jié)合能

(1)定義：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱作比結(jié)合能，也叫平均

結(jié)合能。

(2)特點：不同原子核的比結(jié)合能不同，原子核的比結(jié)合能越大，表

示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。

4．質(zhì)能虧損

凡是釋放核能的核反應，反應后各原子核(新生核)及微觀粒子的質(zhì)

量(即靜止質(zhì)量)之和___變__小___，兩者的差值就叫___質(zhì)__量__虧__損___。

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5．質(zhì)能方程

(1)愛因斯坦得出物體的能量與它的質(zhì)量的關(guān)系：____E_＝__m__c_2____。

(2)核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)質(zhì)量虧損Δm，其對應減少的能量ΔE

＝___Δ_m_c_2__。

原子核分解成核子時要吸收一定的能量，相應的質(zhì)量增加Δm，吸

收的能量為ΔE＝_____Δ_m__c2____。

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七、裂變反應和聚變反應

1．重核裂變

(1)定義：質(zhì)量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質(zhì)

量數(shù)較小的原子核的過程。

(2)典型的裂變反應方程：

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(3)鏈式反應：重核裂變產(chǎn)生的___中__子___使裂變反應一代接一代繼續(xù)

下去的過程。

(4)臨界體積和臨界質(zhì)量：裂變物質(zhì)能夠發(fā)生___鏈__式__反__應___的最小體

積及其相應的質(zhì)量。

(5)裂變的應用：___原__子__彈___、核反應堆。

(6)反應堆構(gòu)造：核燃料、減速劑、___鎘__棒___、防護層。

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2．輕核聚變

(1)定義：兩個輕核結(jié)合成__質(zhì)__量__較__大____的核的反應過程。輕核聚變

反應必須在高溫下進行，因此又叫__熱__核__反__應____。

(2)典型的聚變反應方程：

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1．原子中絕大部分是空的，原子核很小。(√)

2．核式結(jié)構(gòu)學說是盧瑟福在α粒子散射實驗的基礎上提出的。(

)√

3．氫原子光譜是由一條一條亮線組成的。(√)

4．玻爾理論成功地解釋了氫原子光譜，也成功地解釋了氦原子光

譜。(×)

5．按照玻爾理論，核外電子均勻分布在各個不連續(xù)的軌道上。(

×)

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6．人們認識原子具有復雜結(jié)構(gòu)是從英國物理學家湯姆孫研究陰極

射線發(fā)現(xiàn)電子開始的。(√)

7．人們認識原子核具有復雜結(jié)構(gòu)是從盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子開始的。(

×)

8．如果某放射性元素的原子核有100個，經(jīng)過一個半衰期后還剩50

個。(×)

9．質(zhì)能方程表明在一定條件下，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。(×)

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核心考點·重點突破

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1盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型

(基礎考點·自主探究)

1．α粒子散射實驗結(jié)果分析

(1)絕大多數(shù)α粒子沿直線穿過金箔，說明原子中絕大部分是空的。

(2)少數(shù)α粒子發(fā)生較大角度偏轉(zhuǎn)，反映了原子內(nèi)部集中存在著對α粒

子有斥力的正電荷。

(3)極少數(shù)α粒子甚至被“撞了回來”，反映了個別α粒子正對著質(zhì)量

比α粒子大得多的物體運動時，受到該物體很大的斥力作用。

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2．α粒子散射動能、電勢能分析

(1)庫侖力對α粒子的做功情況

當α粒子靠近原子核時，庫侖斥力做負功，電勢能增加；當α粒子遠

離原子核時，庫侖斥力做正功，電勢能減少。

(2)α粒子的能量轉(zhuǎn)化

由于只有庫侖力做功，能量只在電勢能和動能之間相互轉(zhuǎn)化，總能

量保持不變。

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【跟蹤訓練】

1(α粒子散射實驗)(多選)(2025·天津市調(diào)研)如圖甲所示是湯姆孫的原

子模型，他認為原子是一個球體，正電荷彌漫性地分布在整個球體內(nèi)，

電子鑲嵌在其中。甲圖中的小圓點代表正電荷，大圓點代表電子。湯姆

孫的原子模型無法解釋α粒子散射

實驗。如圖乙所示是盧瑟福為解釋

α粒子散射實驗假設的情景：占原

子質(zhì)量絕大部分的帶正電的那部分

物質(zhì)應集中在很小的空間范圍。

下列說法中正確的是()

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A．α粒子質(zhì)量遠大于電子質(zhì)量，電子對α粒子速度的影響可以忽略

B．入射方向的延長線越接近原子核的α粒子發(fā)生散射時的偏轉(zhuǎn)角越

大

C．由不同元素原子核對α粒子散射的實驗數(shù)據(jù)可以確定各種元素原

子核的質(zhì)量

D．由α粒子散射的實驗數(shù)據(jù)可以估計出原子核半徑的數(shù)量級是

10－15m

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[答案]ABD

[解析]α粒子質(zhì)量遠大于電子質(zhì)量，電子對α粒子速度的影響可以

忽略，故A正確；入射方向的延長線越接近原子核的α粒子，所受庫侖力

就越大，發(fā)生散射時的偏轉(zhuǎn)角越大，故B正確；α粒子散射類似于碰撞，

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)無法確定各種元素原子核的質(zhì)量，故C錯誤；由α粒子散射

的實驗數(shù)據(jù)可以估計出原子核半徑的數(shù)量級是10－15m，故D正確。

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2(α粒子動能、電勢能分析)根據(jù)α粒子散射實驗，盧瑟福提出了原子

的核式結(jié)構(gòu)模型。如圖所示為原子核式結(jié)構(gòu)模型的α粒子散射圖。圖中

實線表示α粒子的運動軌跡。其中一個α粒子從a運動到b再運動到c的過

程中(α粒子在b點時距原子核最近)，下列判斷中正確的是()

A．α粒子的動能先增大后減小

B．α粒子的電勢能先增大后減小

C．α粒子的加速度先減小后增大

D．庫侖力對α粒子先做正功后做負功

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[答案]B

[解析]α粒子先靠近原子核，然后又遠離原子核，則在運動過程

中，庫侖力對α粒子先做負功后做正功，所以其電勢能先增大后減小，

由動能定理知，動能先減小后增大，B正確，A、D錯誤；α粒子受到的

庫侖力先增大后減小，由牛頓第二定律知，加速度先增大后減小，C錯

誤。

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2氫原子能級及原子躍遷

(能力考點·深度研析)

1．原子吸收能量的兩種情況

(1)光照激發(fā)：能量等于能級差的光子可被吸收，能量大于電離能的

光子可被吸收，其他光子不能被吸收。

(2)實物粒子激發(fā)：只要粒子能量大于或等于能級差即可被吸收。

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2．譜線條數(shù)的確定方法

(1)一個氫原子躍遷可能發(fā)出的光譜線條數(shù)最多為n－1。

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3．電離

(1)電離態(tài)：n＝∞，E＝0。

(2)電離能：指原子從基態(tài)或某一激發(fā)態(tài)躍遷到電離態(tài)所需要吸收的

最小能量。

例如：氫原子從基態(tài)→電離態(tài)：

E吸＝0－(－13.6eV)＝13.6eV

(3)若吸收能量足夠大，克服電離能后，獲得自由的電子還具有動

能。

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(2025·河南開封調(diào)研)二十世紀初，德國物理學家玻爾將普朗克提

出的量子理論運用于對氫原子模型的重構(gòu)，對量子力學的發(fā)展起到了重

大推動作用。如圖所示為氫原子的能級示意圖，下列說法正確的是(

)

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A．用能量為10.20eV的光子照射，可使處于基態(tài)的氫原子電離

B．用能量為2eV的光子去照射氫原子，不能使氫原子從第2能級躍

遷到第3能級

C．當氫原子從第4能級向基態(tài)躍遷時，氫原子的能量增加，電子的

動能減小

D．一群處在n＝4能級的氫原子在向低能級躍遷的過程中，能發(fā)出3

種不同頻率的光

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[答案]B

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【跟蹤訓練】

3(兩類能級躍遷)(2023·山東卷)“夢天號”實驗艙攜帶世界首套可相

互比對的冷原子鐘組發(fā)射升空，對提升我國導航定位、深空探測等技術(shù)

具有重要意義。如圖所示為某原子鐘工作的四能級體系，原子吸收頻率

為ν0的光子從基態(tài)能級Ⅰ躍遷至激發(fā)態(tài)能級Ⅱ，然后自發(fā)輻射出頻率為

ν1的光子，躍遷到鐘躍遷的上能級2，并在一定條件下可躍遷到鐘躍遷的

下能級1，實現(xiàn)受激輻射，發(fā)出鐘激光，最后輻射出頻率為ν3的光子回到

基態(tài)。該原子鐘產(chǎn)生的鐘激光的頻率ν2為()

A．ν0＋ν1＋ν3B．ν0＋ν1－ν3

C．ν0－ν1＋ν3D．ν0－ν1－ν3

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[答案]D

[解析]原子吸收頻率為ν0的光子從基態(tài)能級Ⅰ躍遷至激發(fā)態(tài)能級

Ⅱ時有EⅡ－EⅠ＝hν0，且從激發(fā)態(tài)能級Ⅱ向下躍遷到基態(tài)Ⅰ的過程有EⅡ

－EⅠ＝hν1＋hν2＋hν3，聯(lián)立解得ν2＝ν0－ν1－ν3，故選D。

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4(光電效應與能級躍遷規(guī)律的綜合應用)為了研究大量處于n＝3能級

的氫原子躍遷時的發(fā)光特點，現(xiàn)利用氫原子躍遷時產(chǎn)生的三種單色光照

射同一個光電管，如圖甲所示，移動滑動變阻器的滑片調(diào)節(jié)光電管兩端

電壓，分別得到三種光照射時光電流與光電管兩端電壓的關(guān)系，如圖乙

所示，則對于a、b、c三種光，下列說法正確的是()

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[答案]C

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3原子核的衰變半衰期

(基礎考點·自主探究)

1．α衰變和β衰變的比較

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注意：原子核衰變是原子核內(nèi)部質(zhì)子與中子的變化，與原子核外的

電子無關(guān)。1個質(zhì)子也可以變成1個中子放出正電子。

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2．衰變次數(shù)的計算方法

先根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒確定α衰變次數(shù)，再根據(jù)電荷數(shù)守恒確定β衰變次

數(shù)。

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【跟蹤訓練】

5(三種射線的性質(zhì)及特點)盧瑟福設計的一

個實驗如圖所示：他在鉛塊上鉆了一個小孔，

孔內(nèi)放入一點鐳，使射線只能從這個小孔里發(fā)

出，隨后他將射線引入磁場中，發(fā)現(xiàn)射線立即

分成三束，他把三束射線分別命名為α射線、

β射線、γ射線?；趯@三種射線的深入分

析，盧瑟福獲得了1907年的諾貝爾獎。以下對

這三束射線描述準確的是()

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A．α射線的穿透能力最弱，容易被物體吸收

B．β射線在真空中的運動速度是光速

C．γ射線本質(zhì)上是波長極短的電磁波，電離能力極強

D．β射線帶負電，是來自鐳原子的核外電子

[答案]A

[解析]α射線穿透能力最弱，電離作用強，容易被物體吸收，故A

正確；β射線的速度約是光速的99%，故B錯誤；γ射線是一種波長很短

的電磁波，電離能力極弱，故C錯誤；β射線(高速電子束)帶負電，是由

一個中子轉(zhuǎn)變成一個質(zhì)子后釋放的，故D錯誤。

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6

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[答案]A

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7

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[答案]D

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8(衰變規(guī)律與磁場知識的綜合應用)(多選)有一勻強磁場，磁感應強度

為B，方向垂直紙面向外，一個原來靜止在A處的原子核，發(fā)生衰變放射

出某種粒子，兩個新核的運動軌跡如圖所示，已知兩個相切圓半徑分別

為r1、r2。下列說法正確的是()

A．原子核發(fā)生α衰變，根據(jù)已知條件可以算出兩個新核的質(zhì)量比

B．衰變形成的兩個粒子帶同種電荷

C．衰變過程中原子核遵循動量守恒定律

D．衰變形成的兩個粒子電荷量的關(guān)系為

q1∶q2＝r1∶r2

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[答案]BC

第十六章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性原子核

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4裂變、聚變、核反應類型及核反應方程

(基礎考點·自主探究)

1．幾種常見的核反應分類及比較

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【跟蹤訓練】

9(核反應類型的判斷)下列說法正確的是()

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[答案]C

[解析]根據(jù)核反應的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，A選項反應中的X

質(zhì)量數(shù)為4，電荷數(shù)為2，為α粒子，核反應類型為α衰變，選項A錯誤；

B選項反應中的Y質(zhì)量數(shù)為1，電荷數(shù)為0，為中子，核反應類型為輕核

聚變，選項B錯誤；C選項反應中的K質(zhì)量數(shù)總數(shù)為10，電荷數(shù)為0，則

K為10個中子，核反應類型為重核裂變，選項C正確；D選項反應中的Z

質(zhì)量數(shù)為1，電荷數(shù)為1，為質(zhì)子，核反應類型為人工轉(zhuǎn)變，選項D錯

誤。

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[答案]C

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11(裂變和聚變的比較)(2023·湖南卷)2023年4月13日，中國“人造太

陽”反應堆中科院環(huán)流器裝置(EAST)創(chuàng)下新紀錄，實現(xiàn)403秒穩(wěn)態(tài)長脈

沖高約束模等離子體運行，為可控核聚變的最終實現(xiàn)又向前邁出了重要

的一步，下列關(guān)于核反應的說法正確的是()

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[答案]A

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5對結(jié)合能和比結(jié)合能的理解核能的計算

(能力考點·深度研析)

1．對質(zhì)能方程的理解

(1)E＝mc2的含義：物體的總能量和它的質(zhì)量成正比關(guān)系。

(2)ΔE＝Δmc2的含義：釋放的核能與質(zhì)量虧損成正比關(guān)系，但不是

轉(zhuǎn)化關(guān)系。

(3)對質(zhì)量虧損的理解：“質(zhì)量虧損”但質(zhì)量數(shù)守恒，原因是每個核

子的質(zhì)量減小了。“質(zhì)量虧損”并不是質(zhì)量消失，而是由靜止的質(zhì)量變

成運動的質(zhì)量。

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2．對比結(jié)合能的理解

(1)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。

(2)中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能最大，平均每個核子的質(zhì)量最小。

(3)當重核分裂成中等核，或輕核結(jié)合成中等核時，核子的比結(jié)合能

都增加，發(fā)生質(zhì)量虧損并釋放出核能。

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3．計算核能的方法

(1)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，用核反應過程中質(zhì)量虧損的千克數(shù)乘以

真空中光速的平方，即ΔE＝Δmc2。

(2)根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當于931.5MeV的能量，得ΔE＝質(zhì)量虧

損的原子質(zhì)量單位數(shù)×931.5MeV。

(3)根據(jù)平均結(jié)合能來計算核能

原子核的結(jié)合能＝平均結(jié)合能×核子數(shù)。

(4)有時可結(jié)合動量守恒和能量守恒進行分析計算，此時應注意動