核力與結(jié)合能（課堂PPT）

1、5、 核力與結(jié)合能一、核力與四種基本相互作用一、核力與四種基本相互作用20世紀(jì)初，人們知道自然界存在和這兩種基本相互作用，你能算出相同的距離上，兩質(zhì)子間的質(zhì)子間的電磁力是萬有引力的1035倍這種作用力有哪些特點？人們對這種相互作用的認(rèn)識還有哪些有待完善？原子核中的質(zhì)子要靠自身的原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬有引力萬有引力來來抗衡抗衡相互間的相互間的庫侖力庫侖力是是不可能不可能的。的。 猜想：猜想：有第有第三種力三種力-核力核力，是核力把核子緊緊地，是核力把核子緊緊地束縛束縛在核內(nèi)，形成在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核。穩(wěn)定的原子核。一、核力與四種基本相互作用一、核力與四種基本相互作用人們對這種相互作用的認(rèn)

2、識還有哪些有待完善？2. 核力是核力是短程力短程力。作用范圍在。作用范圍在1.510-15m之內(nèi)，大于之內(nèi)，大于0.810-15m時為時為吸引力吸引力, 隨距離增大而減小，超過隨距離增大而減小，超過1.510-15m時核力時核力幾乎消失幾乎消失，小于，小于0.810-15m時為時為斥斥力力，因此核子不會融合在一起。，因此核子不會融合在一起。1. 核力是四種相互作用中的核力是四種相互作用中的強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）的一種表現(xiàn)。在原子核尺度內(nèi)，的一種表現(xiàn)。在原子核尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多。核力比庫侖力大得多。3. 核力具有核力具有飽和性飽和性。每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，這種

3、性質(zhì)稱之為。每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，這種性質(zhì)稱之為核力的飽和性。核力的飽和性。 特特 點點4. 核力具有核力具有電荷無關(guān)性電荷無關(guān)性。對給定的相對運動狀態(tài)，核力與核子電荷無關(guān)。（見。對給定的相對運動狀態(tài)，核力與核子電荷無關(guān)。（見書本書本P79圖）圖）小于0.810-15m時核力的變化規(guī)律還不清楚。一、核力與四種基本相互作用一、核力與四種基本相互作用 弱相互作用是引起原子核發(fā)生衰變的原因,即引起中子質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強(qiáng)力更短，為10-18m，作用強(qiáng)度比電磁力小。 1.1.萬有引力：萬有引力：引力主要在宏觀和宇觀尺度上引力主要在宏觀和宇觀尺度上“獨領(lǐng)風(fēng)騷獨領(lǐng)

4、風(fēng)騷”。是引力使行。是引力使行星繞恒星轉(zhuǎn)動，并且聯(lián)系著星系團(tuán)，決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來。星繞恒星轉(zhuǎn)動，并且聯(lián)系著星系團(tuán)，決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來。四四種種相相互互作作用用3.3.強(qiáng)相互作用：強(qiáng)相互作用：在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將核子束縛在一起。在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將核子束縛在一起。2.2.電磁力：電磁力：在原子核外，電磁力使電子不脫離原子核而形成原子，使原在原子核外，電磁力使電子不脫離原子核而形成原子，使原子結(jié)合成分子，使分子結(jié)合成液體與固體。子結(jié)合成分子，使分子結(jié)合成液體與固體。電磁力和萬有引力都是電磁力和萬有引力都是“長程力長程力”，即它們可以作用到無限遠(yuǎn)的距離，即它們可以作用到無限遠(yuǎn)的距離，當(dāng)然距離越遠(yuǎn)

5、，力就越小當(dāng)然距離越遠(yuǎn)，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衰變的原因，即引起中子衰變的原因，即引起中子質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強(qiáng)力更短，為質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強(qiáng)力更短，為10101818m m，作用強(qiáng)度則比電磁力小。作用強(qiáng)度則比電磁力小。 物理學(xué)有一條理論：叫做簡單才是美。能否將這四條理論統(tǒng)一起來呢？物理學(xué)有一條理論：叫做簡單才是美。能否將這四條理論統(tǒng)一起來呢？一、核力與四種基本相互作用一、核力與四種基本相互作用一、核力與四種基本相互作用一、核力與四種基本相互作用典例探究典例探究例1.從以下幾個方

6、面比較核反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)的相同和不同之處（1）它們分別涉及四種基本相互作用的哪一種？（2）每種反應(yīng)分別改變了或重新安排了什么？二、原子核中質(zhì)子和中子的比例二、原子核中質(zhì)子和中子的比例 自然界中自然界中較輕較輕的原子的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致大致相等相等，但對于，但對于較重較重的原子的原子核，中子數(shù)核，中子數(shù)大于大于質(zhì)子數(shù)，質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越越重的元素，兩者相差越多。多。二、原子核中質(zhì)子和中子的比例二、原子核中質(zhì)子和中子的比例 可以設(shè)想，我們把質(zhì)子與中子可以設(shè)想，我們把質(zhì)子與中子成對成對地放在地放在一起，一起，人工構(gòu)建人工構(gòu)建原子核，它的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)原子核，它的質(zhì)

7、子數(shù)和中子數(shù)相等。人工核越來越大，有些核子間的距離越相等。人工核越來越大，有些核子間的距離越來越遠(yuǎn)。隨著來越遠(yuǎn)。隨著距離的增加距離的增加，核力與電磁力都會，核力與電磁力都會減小減小，但，但核力減小得更快核力減小得更快。所以，原子核大到。所以，原子核大到一定程度時，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子之間的一定程度時，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子之間的核力不足核力不足以平衡它們之間的庫侖力以平衡它們之間的庫侖力，這個原子核就，這個原子核就不穩(wěn)不穩(wěn)定定了。這時，如果不再成對地增加質(zhì)子和中子，了。這時，如果不再成對地增加質(zhì)子和中子，而而只增加中子只增加中子，中子與其他核子，中子與其他核子沒有庫侖力沒有庫侖力，但有相互吸引的但有相互吸引

8、的核力核力，所以有助于維系原子核，所以有助于維系原子核的的穩(wěn)定穩(wěn)定。由于這個原因，穩(wěn)定的重原子核里，。由于這個原因，穩(wěn)定的重原子核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。二、原子核中質(zhì)子和中子的比例二、原子核中質(zhì)子和中子的比例 不能不能；由于；由于核力的作用范圍是有限核力的作用范圍是有限的，以及的，以及核力的飽和性核力的飽和性，如果我們我們繼續(xù)增大原子核，一些核子間的距離會如果我們我們繼續(xù)增大原子核，一些核子間的距離會大到大到其間其間根本根本沒有核力沒有核力的作用，這時即使再增加中子，形成的核也一定的作用，這時即使再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的。是不穩(wěn)定的。 在宇宙演化的進(jìn)程中，各種

9、粒子有機(jī)會進(jìn)行各種組合，但在宇宙演化的進(jìn)程中，各種粒子有機(jī)會進(jìn)行各種組合，但那些不穩(wěn)定的組合很快就瓦解了，只有那些不穩(wěn)定的組合很快就瓦解了，只有200多種穩(wěn)定的原子核多種穩(wěn)定的原子核長久地留了下來。長久地留了下來。三、結(jié)合能三、結(jié)合能宏觀例子：宏觀例子：相距很遠(yuǎn)的兩個物體，由于萬有引力而相互接近，運動速度越來越大，相距很遠(yuǎn)的兩個物體，由于萬有引力而相互接近，運動速度越來越大，引力勢能轉(zhuǎn)化為動能最后撞在一起，動能變成它們的內(nèi)能散失掉了。兩個物體為了引力勢能轉(zhuǎn)化為動能最后撞在一起，動能變成它們的內(nèi)能散失掉了。兩個物體為了結(jié)合而付出了代價失去了一些能量，如果要把它們分開，還要重新賦予它們這結(jié)合而付出

10、了代價失去了一些能量，如果要把它們分開，還要重新賦予它們這份能量。份能量。 概念：概念：原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開，也需要能量，這原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的就是原子核的結(jié)合能結(jié)合能。 類比分析：類比分析：要使基態(tài)氫原子電離，也就是要從氫原子中把電子剝離，需要通過要使基態(tài)氫原子電離，也就是要從氫原子中把電子剝離，需要通過碰撞碰撞、施加電場施加電場、讓氫原子、讓氫原子吸收光子吸收光子等某種途徑讓它得到等某種途徑讓它得到13.6eV 13.6eV 的能量。這個能量實際上的能量。這個能量實際上就是電子與氫原子核的結(jié)合能，不過通

11、常把它叫做氫原子的就是電子與氫原子核的結(jié)合能，不過通常把它叫做氫原子的電離能電離能，而，而結(jié)合能一詞只結(jié)合能一詞只用在原子核中用在原子核中 三、結(jié)合能三、結(jié)合能 原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能。 結(jié)合能并不是由于核子結(jié)合成原子核而具有的能量，而是為把核子分開而需要的能量。 組成原子核的核子越多，它的結(jié)合能越高。 結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能。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。因為比結(jié)合能越大，將每個核子分開所需的能量越大。三、結(jié)合能三、結(jié)合能四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損 愛因斯坦的質(zhì)能方程：Emc2，

12、 能量變化E=mc2四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損質(zhì)量減小量質(zhì)量減小量: m=( mp+ mn)- mD=0.003910-27kg；能量減小量能量減小量: E=m c2=3.5110-13J=2.19106eV；結(jié)合能結(jié)合能:E=m c2=2.19MeV；比結(jié)合能為比結(jié)合能為:E/n=E/2=1.10MeV 。當(dāng)然，當(dāng)然，2.19MeV2.19MeV的能量的絕對數(shù)量并不算大，但這只是的能量的絕對數(shù)量并不算大，但這只是組成組成1 1個氘核所放出的能量個氘核所放出的能量如果組成的是如果組成的是6.026.0210102323個個氘核時，放出的能量就十分可觀了與之相對照的是，氘核時，放出的能量就十分可觀

13、了與之相對照的是，使使1 1摩的碳完全燃燒放出的能量為摩的碳完全燃燒放出的能量為393.5393.510103 3J J折合為折合為每個碳原子在完全燃燒時放出的能量只不過每個碳原子在完全燃燒時放出的能量只不過4eV4eV若跟若跟上述核反應(yīng)中每個原子可能放出的能量相比，上述核反應(yīng)中每個原子可能放出的能量相比，兩者相差兩者相差數(shù)十萬倍數(shù)十萬倍核反應(yīng)中釋放或吸收的能量比化學(xué)反應(yīng)中釋放或吸收的核反應(yīng)中釋放或吸收的能量比化學(xué)反應(yīng)中釋放或吸收的能量大好幾個數(shù)量級能量大好幾個數(shù)量級. 四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損 沒有違反能量守恒定律；減小的這部分能量以光子釋放出去。 沒有違反質(zhì)量守恒定律； 減小的那部分質(zhì)量等

14、于光子的動質(zhì)量。四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損 原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和，這個現(xiàn)象稱為質(zhì)量虧損。質(zhì)量虧損表明，的確存在著原子核的結(jié)合能。 中等大小的核最穩(wěn)定中等大小的核最穩(wěn)定，因為這些核的因為這些核的比結(jié)合能最大比結(jié)合能最大（平均每個核子的質(zhì)量虧損平均每個核子的質(zhì)量虧損最大最大）。）。四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損 使使較重的核分裂較重的核分裂成中等大成中等大小的核，或者把小的核，或者把較小的核合較小的核合并并成中等質(zhì)量的核；成中等質(zhì)量的核； 因為使較因為使較重的核分裂成重的核分裂成中中等大小的核，或者把等大小的核，或者把較小的較小的核合并核合并成中等大小的核，成中等大小的核，核核子的比結(jié)合

15、能都會增加子的比結(jié)合能都會增加，即即核子將發(fā)生新的質(zhì)量虧損，核子將發(fā)生新的質(zhì)量虧損，釋放新的核能釋放新的核能。四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損 反應(yīng)后氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量和反應(yīng)后氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量和 反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)不變，因而質(zhì)量不變反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)不變，因而質(zhì)量不變 核子結(jié)合成核時，一定釋放核能核子結(jié)合成核時，一定釋放核能 光子具有的能量為光子具有的能量為2mcm中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，同時釋放中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，同時釋放光子，核反應(yīng)方光子，核反應(yīng)方程程 ,下列說法正確的是（下列說法正確的是（ ）為核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損102111HH +n ACD 四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損碳原