ddd195核力与结合能(可上课直接用).ppt

§19.5 核力与结合能核力与结合能回顾：回顾：原子核的组成原子核的组成 在原子核那样狭小的空间里，带正电的在原子核那样狭小的空间里，带正电的质子为什么能够挤在一起而不飞散？质子为什么能够挤在一起而不飞散？猜想：猜想：万有引力？万有引力？验证： 间距间距r r 数量级数量级1010-15-15m m；质量；质量m m 数量级数量级1010-27-27kgkg；电量；电量q q 数量级数量级1010-19-19C C；引力常量；引力常量G G数量级数量级1010-11-11；静电力常量；静电力常量 k k 数量级数量级10109 9 结论：结论：结论：结论：万有引力只有库仑力的万有引力只有库仑力的万有引力只有库仑力的万有引力只有库仑力的10101010-35-35-35-35到到到到10101010-36-36-36-36倍核子不倍核子不倍核子不倍核子不可能靠自身万有引力抗衡库仑斥力可能靠自身万有引力抗衡库仑斥力可能靠自身万有引力抗衡库仑斥力可能靠自身万有引力抗衡库仑斥力猜想：猜想：存在第三种力存在第三种力——核力核力，是核力把核子，是核力把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。

束缚在核内，形成稳定的原子核一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用2. 核核力力是是短短程程力力约约在在 10-15m量量级级时时起起作作用用，，距距离离大大于于0.8×10-15m时时为为引引力力, 距距离离为为10×10-15m时时核核力力几几乎乎消消失失，，距距离小于离小于0.8×10-15m时为时为斥力斥力，因此核子不会融合在一起因此核子不会融合在一起1. 核核力力是是四四种种相相互互作作用用中中的的强强相相互互作作用用（（强强力力））的的一一种种表表现在原子核尺度内，核力比库仑力大得多在原子核尺度内，核力比库仑力大得多3. 核核力力具具有有饱饱和和性性每每个个核核子子只只跟跟相相邻邻的的核核子子发发生生核核力力作作用用，，这种性质称之为核力的饱和性这种性质称之为核力的饱和性 特特 点点4. 核核力力具具有有电电荷荷无无关关性性对对给给定定的的相相对对运运动动状状态态，，核核力力与与核核子电荷无关见书本子电荷无关见书本P79图）图）一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用1.1.万有引力：万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领风骚独领风骚”。

是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，决定了宇是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，决定了宇宙的现状和未来宙的现状和未来四四种种相相互互作作用用3.3.强相互作用：强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起在原子核内，强力将核子束缚在一起2.2.电磁力：电磁力：在原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分在原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分子结合成液体与固体子结合成液体与固体电磁力和万有引力都是电磁力和万有引力都是“长程力长程力”，即它们可以作用到无，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小限远的距离，当然距离越远，力就越小4.4.弱相互作用：弱相互作用：弱相互作用是引起原子核弱相互作用是引起原子核ββ衰变的原因，衰变的原因，即引起中子－质子转变的原因弱相互作用也是短程力，即引起中子－质子转变的原因弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为其力程比强力更短，为1010－－1818m m，作用强度则比电磁力小作用强度则比电磁力小 物理学有一条理论：叫做简单才是美能否将这四条理论物理学有一条理论：叫做简单才是美能否将这四条理论统一起来呢？统一起来呢？一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用二、原子核中质子和中子的比例二、原子核中质子和中子的比例二、原子核中质子和中子的比例二、原子核中质子和中子的比例二、原子核中质子和中子的比例二、原子核中质子和中子的比例三、结合能三、结合能宏观模型：相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，运动速度越来越大，引力势能转化为动能最后撞在一起，动能变成它们的内能散失掉了。

两个物体为了结合而付出了代价－－失去了一些能量，如果要把它们分开，还要重新赋予它们这份能量 微观模型：原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能 类比分析：要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、赋予光子等某种途径让它得到13.6eV 的能量这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能，不过通常把它叫做氢原子的电离能，而结合能一词只用在原子核中 三、结合能三、结合能三、结合能三、结合能四、质量亏损四、质量亏损 爱因斯坦的质能方程：E＝＝mc2， 能量减小ΔE=Δm·c2四、质量亏损四、质量亏损四、质量亏损四、质量亏损四、质量亏损四、质量亏损平均结合能平均结合能核子的平均结合能随质量数的变化核子的平均结合能随质量数的变化z核子平均质量核子平均质量平均结合能平均结合能核子的平均结合能随质量数的变化核子的平均结合能随质量数的变化z四、质量亏损四、质量亏损〓聚变〓裂变四、质量亏损四、质量亏损四、质量亏损四、质量亏损1 1、核子结合成原子核、核子结合成原子核，新核质量，新核质量小于小于核子的质量核子的质量( (质量质量亏损亏损) )，同时以，同时以 光子形式光子形式释放核能释放核能; ; 原子核分解为核子时原子核分解为核子时，需要，需要吸收一定能量吸收一定能量, ,核子的总核子的总质量质量大于大于原原子核的质量原原子核的质量. .2 2、、核反应过程中，质量亏损时，核反应过程中，质量亏损时，核子个数不亏损核子个数不亏损( (即质即质量数守恒量数守恒) )，可理解为组成原子核后，可理解为组成原子核后, ,核内每个核子仿佛核内每个核子仿佛““瘦了瘦了””一些一些. .3 3、、质量亏损并非质量消失，而是减少的质量质量亏损并非质量消失，而是减少的质量 m m以能量以能量形式辐射形式辐射( (动质量动质量) )，因此，因此质量守恒定律不被破坏。

质量守恒定律不被破坏有关问题的理解和注意事项有关问题的理解和注意事项4 4、、国际单位国际单位：：常用单位常用单位: :  m m用用““u u””( (原子质量单位原子质量单位) )1u=1.6605661u=1.660566××1010-27-27kgkg，， c=2.9979c=2.9979××10108 8m/sm/s，，1eV=1.60221eV=1.6022××1010-19-19J J．． ΔΔE E用用““ m m c c2 2””，，1u=931MeV1u=931MeV ( (表示表示1u 1u 的质量变化相当于的质量变化相当于931MeV931MeV的能量改变的能量改变) )5 5、、核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释放或吸收的能量大好几个数量级放或吸收的能量大好几个数量级. . m用用“kg”，，c用用“m/s”，，  E用“J”答案：答案：答案：答案：5 5 5 5．．．．7 7 7 7 MeVMeVMeVMeV 1 1、、、、19321932年查德威克用年查德威克用年查德威克用年查德威克用α α粒子去轰击铍核、发现粒子去轰击铍核、发现粒子去轰击铍核、发现粒子去轰击铍核、发现了中子，并产生一个新核．已知铍核了中子，并产生一个新核．已知铍核了中子，并产生一个新核．已知铍核了中子，并产生一个新核．已知铍核 的质量的质量的质量的质量为为为为9 9．．．．01219 01219 u,αu,α粒子的质量为粒子的质量为粒子的质量为粒子的质量为4 4．．．．00260 u00260 u，新，新，新，新核的质量为核的质量为核的质量为核的质量为1212．．．．00000 u,00000 u,中子的质量为中子的质量为中子的质量为中子的质量为1 1．．．．008665 u008665 u．求：．求：．求：．求：(1)(1)写出核反应方程；写出核反应方程；写出核反应方程；写出核反应方程；(2)(2)计算放计算放计算放计算放出的能量．出的能量．出的能量．出的能量．1 1 u u＝＝＝＝1 1．．．．660566×10-27 kg 660566×10-27 kg 2.2.氦核是由氦核是由2 2个质子和个质子和2 2个中子组成的。

个中子组成的1 1个质子的质量个质子的质量m mp p=1.007277u=1.007277u，，1 1个中子的个中子的质量质量m mn n=1.008665u=1.008665u，，氦核的质量为氦核的质量为4.001509u4.001509u这里这里u u表示原子质量单位，表示原子质量单位，1u=1.6605661u=1.660566××1010-27-27kgkg，，由上述数值，请由上述数值，请计算核子结合成氦原子核时释放的能量是计算核子结合成氦原子核时释放的能量是多少多少MeVMeV？？注：若注：若Δm的单位取的单位取“原子质量单位原子质量单位” 符号为符号为“u”，，1u=1.6606 × 10–27 kg 1u相当于相当于931.5 Mev的能量的能量①①写出核反应方程写出核反应方程②②计算质量亏损计算质量亏损Δm③③根据质能方程根据质能方程Δ E = ΔmC2计算核能计算核能 ④④注意质量单位取注意质量单位取kg 和和u的不同，若以原子质量（的不同，若以原子质量（u））为单位，可直接用为单位，可直接用ΔE=Δm(u)×931.5MeV.核能的计算步骤核能的计算步骤典例分析一､对四种基本作用的理解例1:科学研究表明,自然界存在四种基本相互作用,我们知道分子之间也存在相互作用的引力和斥力,那么分子力实质上属于( )A.引力相互作用B.电磁相互作用C.强相互作用和弱相互作用的共同作用D.四种基本相互作用的共同作用解析:分子作用范围约在10-10m数量级上,强相互作用和弱相互作用都是短程作用力,作用范围在10-15 m和10-18 m之内,在这个距离内不存在分子力,在这个范围内引力作用和电磁作用都存在,但由于电磁力远大于万有引力,引力作用可以忽略不计,因此分子力本质上属于电磁相互作用.答案:B二､对核力､原子核内核子比例的理解例2:对核子结合成原子核的下列说法正确的是( )A.原子核内的核子间均存在核力B.原子核内的质子间均存在核力和库仑力C.当几个核子靠近到核力作用的范围而结合为原子核时,其间“势能”一定减小D.对质子数较多的原子核,其中的中子起到增加核力､维系原子稳定的作用解析:由于核力是近程力,只会发生在相邻的核子之间,由此可知A､B选项错误;当几个核子靠近到核力作用范围内,距离大于0.8×10-15 m,核力表现为引力,在此过程中核力必做正功,其间势能必定减小,形成原子核后一般不小于0.8×10-15 m,故C正确;对质子数较多的原子核,由于只有相邻的核子之间才有核力,但各个质子间均有很强的库仑斥力.随着质子数的增加其库仑力增加,对于稳定的原子核,必须存在较多的中子才能维系二者的平衡,故D选项正确.答案:CD巩固练习1:关于原子核的组成,下列说法正确的是( )A.核力可使一些中子组成原子核B.核力可使较多的质子组成原子核C.不存在只有质子的原子核D.质量较大的原子核内一定含有中子解析:由于原子核带正电,不存在只有中子的原子核,但核力也不能把较多的质子聚集在一起组成原子核,原因是核力为短程力.质子之间存在着“长程力”库仑力,故A､B选项错误;自然界中存在只有质子的原子核,如11H,故C选项错误;较大质量的原子核内只有存在一些中子,才能消弱库仑力维系原子核的稳定,故D选项正确.答案:D三､对质量亏损和质能方程的理解例3:对于爱因斯坦提出的质能方程E=m\5c2,下列说法正确的是( )A.获得一定的能量,质量也相应的增加一定的值B.物体一定有质量,但不一定有能量,所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系C.根据ΔE=Δm\5c2,可知质量减少能量就会增加,在一定条件下质量转化为能量D.根据ΔE=Δm\5c2可以计算核反应中释放的核能解析:根据质能方程E=m\5c2表明一定的质量和一定的能量是相联系的,当物体获得一定的能量,即能量增加某一定值时,它的质量也相应地增加一定值,这种关系在任何条件下都成立,故A选项正确,B选项错误;根据ΔE=Δm\5c2可以计算核反应中释放的能量,释放的能量并非由质量转化而来的,故C选项错误,D选项正确.答案:AD点评:核反应中的质量亏损,并不是这部分质量消失或质量转化为能量,物体的质量应包括静止质量和运动质量,质量亏损是静止质量的减少,减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量.另外,质量亏损也不是核子数的减小,核反应中核子数是不变的.巩固练习2:中子n,质子p,氘核D的质量分别为mn､mp､mD,现用能量为E的γ射线照射静止的氘核使之分解,反应方程为γ+D→p+n,若分解后的中子,质子的动能可视为相等,则中子的动能为( )A. [(mD-mn-mp)c2-E]B. [(mp+mn-mD)c2-E]C. [(mD-mn-mp)c2+E]D. [(mp+mn-mD)c2+E]解析:核反应过程中的质量亏损 Δm=mD-mp-mn核反应过程中释放的能量 ΔE=Δmc2=(mD-mp-mn)c2质子和中子的总能量为E+ΔE,中子的动能是总能的一半,则C选项正确.答案:C。