سوال ۴۷ · فیزیک
کنکور ریاضی ۱۴۰۳ نوبت دوم · سوال ۴۷ · کلید رسمی سازمان سنجش
فیزیک · فیزیک ۳ (ریاضی) · فصل ۶: آشنایی با فیزیک هسته‌ای
کدام مورد درست است؟
الف: اندازه‌گیری‌های دقیق نشان داده است که جرم هسته از مجموع جرم پروتون‌ها و نوترون‌های تشکیل‌دهندهٔ هسته اندکی بیشتر است.
ب: انرژی لازم برای جدا کردن نوکلئون‌های یک هسته را انرژی بستگی هسته‌ای می‌نامند.
پ: در هسته‌های پایدار، هرچه هسته سنگین‌تر می‌شود، نسبت تعداد نوترون به تعداد پروتون افزایش می‌یابد.
نمایش پاسخ و پاسخ تشریحی
پاسخ درست: گزینهٔ ۴ (کلید رسمی سازمان سنجش)
پاسخ تشریحی
برای پاسخ، هر عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم.
عبارت «الف»: نادرست است.
جرم هسته از مجموع جرم پروتون‌ها و نوترون‌های جدا از هم کمتر است، نه بیشتر. این اختلاف را «کاستی جرم هسته» می‌نامند؛ بنابراین اشتباه عبارت، واژهٔ «بیشتر» است. کاستی جرم با انرژی لازم برای جداکردن نوکلئون‌ها ارتباط دارد (فیزیک ۳ (ریاضی)، صفحهٔ ۱۴۱).
عبارت «ب»: درست است.
نوکلئون‌ها همان پروتون‌ها و نوترون‌های سازندهٔ هسته‌اند. برای جداکردن کامل آن‌ها از یکدیگر باید به هسته انرژی بدهیم؛ این انرژی، «انرژی بستگی هسته‌ای» نام دارد. پس عبارت «ب» تعریف درست این کمیت را بیان می‌کند. توجه کنیم که انرژی بستگی، انرژی لازم برای جداسازی است، نه انرژی‌ای که به همین مقدار درون هسته ذخیره شده باشد (فیزیک ۳ (ریاضی)، صفحهٔ ۱۴۱).
عبارت «پ»: درست است.
نیروی الکتروستاتیکی بلندبرد است؛ بنابراین هر پروتون، پروتون‌های دیگر هسته را دفع می‌کند. در مقابل، نیروی هسته‌ای کوتاه‌برد است و هر نوکلئون عمدتاً بر نزدیک‌ترین نوکلئون‌های مجاور خود اثر جاذبه دارد. با افزایش تعداد پروتون‌ها، برای حفظ پایداری به نوترون‌های بیشتری نیاز است؛ نوترون‌ها بدون افزودن دافعهٔ الکتریکی، در جاذبهٔ هسته‌ای مشارکت می‌کنند (فیزیک ۳ (ریاضی)، صفحات ۱۴۰ و ۱۴۱).
در نمودار هسته‌های پایدار نیز برای هسته‌های سبک تقریباً است، اما هسته‌های پایدار سنگین‌تر در ناحیهٔ قرار دارند و روند کلی، افزایش نسبت را نشان می‌دهد. بنابراین عبارت «پ» مطابق روند بیان‌شده در کتاب درست است (فیزیک ۳ (ریاضی)، صفحات ۱۴۰ و ۱۴۱).
در نتیجه، «الف» نادرست و «ب» و «پ» درست‌اند.
پاسخ: گزینهٔ ۴
چرا گزینه‌های دیگر نادرست‌اند
- گزینهٔ ۱: ممکن است دانش‌آموز با درست تشخیص‌دادن «ب» و «پ»، از واژهٔ «بیشتر» در «الف» غافل شود. اما جرم هسته از مجموع جرم نوکلئون‌های جدا از هم کمتر است؛ پس هر سه عبارت درست نیستند.
- گزینهٔ ۲: این انتخاب می‌تواند ناشی از وارونه به‌خاطر سپردن کاستی جرم و اشتباه در تعریف انرژی بستگی باشد. عبارت «الف» نادرست است، در حالی که «ب» دقیقاً مفهوم انرژی لازم برای جداسازی نوکلئون‌ها را بیان می‌کند و درست است.
- گزینهٔ ۳: ممکن است دانش‌آموز جرم هسته را بیشتر از مجموع جرم اجزایش بداند و نسبت تعداد نوترون به پروتون را در همهٔ هسته‌های پایدار ثابت فرض کند. در واقع «الف» نادرست است و طبق روند نمودار پایداری، این نسبت برای هسته‌های پایدار سنگین‌تر افزایش می‌یابد؛ بنابراین «پ» نیز باید پذیرفته شود.
راهنمایی قدم‌به‌قدم (پیش از دیدن پاسخ)
- مفهوم «کاستی جرم» و تعریف «انرژی بستگی هسته‌ای» را از صفحهٔ ۱۴۱، و روند نمودار هسته‌های پایدار را از صفحات ۱۴۰ و ۱۴۱ فیزیک ۳ مرور کن.
- در عبارت «الف»، جهت مقایسهٔ جرم هسته با مجموع جرم نوکلئون‌های جدا از هم تعیین‌کننده است. برای بررسی «پ» نیز به تفاوت برد نیروی هسته‌ای و نیروی الکتروستاتیکی توجه کن.
- ابتدا عبارت ناسازگار با کاستی جرم را کنار بگذار. سپس تعریف انرژی لازم برای جداسازی نوکلئون‌ها را بررسی کن و ببین دورشدن هسته‌های پایدار سنگین از خط چه تغییری در نسبت نشان می‌دهد.