核力與結(jié)合能(公開課)

1、回顧：原子核的組成回顧：原子核的組成 原子核是由質(zhì)子和中子原子核是由質(zhì)子和中子組成組成的，質(zhì)子和中子統(tǒng)的，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為稱為核子核子第五節(jié)第五節(jié) 核力與結(jié)合能核力與結(jié)合能提出問題：提出問題：質(zhì)子間存在著巨質(zhì)子間存在著巨大的庫侖斥力，那為什么質(zhì)大的庫侖斥力，那為什么質(zhì)子沒有被排斥開，反而還緊子沒有被排斥開，反而還緊緊的結(jié)合在一起呢？緊的結(jié)合在一起呢？猜想：猜想：萬有引力？萬有引力？m1510一一 核力及其性質(zhì)核力及其性質(zhì)質(zhì)子相互間距質(zhì)子相互間距r的數(shù)量級為的數(shù)量級為10-15m；質(zhì)子質(zhì)量；質(zhì)子質(zhì)量m的數(shù)量級的數(shù)量級為為10-27kg，質(zhì)子電量，質(zhì)子電量e的數(shù)量級為的數(shù)量級為10-19C；萬有引

2、力常量；萬有引力常量G的數(shù)量級為的數(shù)量級為10-11，靜電力常量靜電力常量k的數(shù)量級為的數(shù)量級為109。估算庫估算庫侖力與萬有引力之比？侖力與萬有引力之比？萬庫FF解：解：3610結(jié)論：結(jié)論：原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬有引力來原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬有引力來抗衡相互間的庫侖力是不可能的?？购庀嗷ラg的庫侖力是不可能的。再猜想：再猜想：在核子之間一定存在著第三種力，使核在核子之間一定存在著第三種力，使核子能緊密的結(jié)合在一起。子能緊密的結(jié)合在一起。核力。核力。227112199222222)10(1010(10/）GmkerGmrke一一 核力及其性質(zhì)核力及其性質(zhì)核力：核力：相鄰的核子之間存在的強

3、相互作用力。相鄰的核子之間存在的強相互作用力。2、核力的性質(zhì)、核力的性質(zhì)（1）核力是強相互作用力；）核力是強相互作用力；在原子核尺度內(nèi)，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。（2）核力是短程力，作用范圍在）核力是短程力，作用范圍在1.510-15m之之內(nèi)。核力在大于內(nèi)。核力在大于0.810-15m時表現(xiàn)為吸引力，時表現(xiàn)為吸引力，且隨距離增大而減小，在小于且隨距離增大而減小，在小于0.810-15m，核，核力表現(xiàn)為斥力。力表現(xiàn)為斥力。（3）每個核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用）每個核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用（飽和性）。（飽和性）。（4） 核力具有電荷無關(guān)性。核力具有電荷無關(guān)

4、性。1、概念：、概念：二、原子核中質(zhì)子與中子的比例二、原子核中質(zhì)子與中子的比例自然界中較輕的原子自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對于較大致相等，但對于較重的原子核，中子數(shù)重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多。元素，兩者相差越多。為什么會這樣呢？為什么會這樣呢？核越來越大，有些核子間的距離越來越遠。隨著核越來越大，有些核子間的距離越來越遠。隨著距離的增加，核力與電磁力都會減小，距離的增加，核力與電磁力都會減小，但核力減但核力減小得更快小得更快。所以，原子核大到一定程度時，相距。所以，原子核大到一定程度時，相距較遠的質(zhì)子間的核力

5、不足以平衡它們之間的庫侖較遠的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個原子核就不穩(wěn)定了。這時，如果不再成力，這個原子核就不穩(wěn)定了。這時，如果不再成對地增加核子，對地增加核子，而只增加中子，中子與其他核子而只增加中子，中子與其他核子沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，有助于維，有助于維系原子核的穩(wěn)定。由于這個原因，穩(wěn)定的重原子系原子核的穩(wěn)定。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。核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。 三三 結(jié)合能結(jié)合能要將原子核拆散成單個核子，一定需要吸收巨要將原子核拆散成單個核子，一定需要吸收巨大的能量。大的能量。二二 結(jié)合能結(jié)合能nHH1

6、01121HnH211011當光子能量等于或當光子能量等于或大于大于2.22MeV時，時，這個反應(yīng)才會發(fā)生這個反應(yīng)才會發(fā)生 一個質(zhì)子和一個中子一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成氘核，要放出結(jié)合成氘核，要放出2.22MeV的能量的能量 結(jié)合能：結(jié)合能：將原子核拆散成單個核子需要吸收的將原子核拆散成單個核子需要吸收的能量或是將核子結(jié)合成原子核所放出的能量能量或是將核子結(jié)合成原子核所放出的能量【思考】：結(jié)合能越大原子核是不是越難被拆散？【思考】：結(jié)合能越大原子核是不是越難被拆散？ 即：結(jié)合能的大小能不能反映原子核的穩(wěn)定程度？即：結(jié)合能的大小能不能反映原子核的穩(wěn)定程度？三三 比結(jié)合能比結(jié)合能如何才能反映原子核的

7、穩(wěn)定程度？如何才能反映原子核的穩(wěn)定程度？U-235Li-6三三 比結(jié)合能（平均結(jié)合能）比結(jié)合能（平均結(jié)合能）1）概念：）概念：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比2）理解：）理解：核子結(jié)合成原子核時，平均每個核子核子結(jié)合成原子核時，平均每個核子所釋放的結(jié)合能，它也等于把原子核拆散成每個所釋放的結(jié)合能，它也等于把原子核拆散成每個核子時，外界必須提供給每個核子的平均能量。核子時，外界必須提供給每個核子的平均能量。 2、比結(jié)合能：、比結(jié)合能：結(jié)合能結(jié)合能核子數(shù)核子數(shù)=3）意義：）意義： 它反映了一個原子核穩(wěn)定程度。平均它反映了一個原子核穩(wěn)定程度。平均結(jié)合能越大，核越穩(wěn)定。結(jié)合能越大，

8、核越穩(wěn)定。物理物理課室課室4）規(guī)律：較輕核和較重核的核子平均結(jié)合能較小）規(guī)律：較輕核和較重核的核子平均結(jié)合能較小,穩(wěn)定性較差穩(wěn)定性較差;中等質(zhì)量核的核子平均結(jié)合能較大，中等質(zhì)量核的核子平均結(jié)合能較大，穩(wěn)定性較好。穩(wěn)定性較好。 如何求解原子核的結(jié)合能？如何求解原子核的結(jié)合能？HHn211110反應(yīng)前質(zhì)量反應(yīng)前質(zhì)量/kg反應(yīng)后質(zhì)量反應(yīng)后質(zhì)量/kgmn1.67491027m氘氘3.34361027mp1.67261027總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量3.343610273.3475 1027在物理上，原子核的質(zhì)量總是小于組成該核的全部核子在物理上，原子核的質(zhì)量總是小于組成該核的全部核子獨自存在時的總質(zhì)量，

9、這兩者的差額叫做獨自存在時的總質(zhì)量，這兩者的差額叫做質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損 原子核的結(jié)合能會不會與質(zhì)量原子核的結(jié)合能會不會與質(zhì)量 虧損有關(guān)呢？你的依據(jù)是什么？虧損有關(guān)呢？你的依據(jù)是什么？ 四四 質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損 E=mcE=mc2 2 (1) 物體具有的能量跟它的質(zhì)量存在著簡單正比物體具有的能量跟它的質(zhì)量存在著簡單正比關(guān)系關(guān)系.對質(zhì)能方程理解對質(zhì)能方程理解E=mc2的理解的理解四四 質(zhì)能方程質(zhì)能方程 E=mcE=mc2 2（2）任何質(zhì)量為）任何質(zhì)量為m的物體都具有大小相當于的物體都具有大小相當于mc2的能量。任何一部分能量也都與一定的質(zhì)量向?qū)Φ哪芰?。任何一部分能量也都與一定的質(zhì)量向?qū)?yīng)。應(yīng)。（3）物

10、體的質(zhì)量發(fā)生變化，相對應(yīng)的能量也會）物體的質(zhì)量發(fā)生變化，相對應(yīng)的能量也會變化。變化。HnH211011232232221)(1cmmmEEcmcmcmm1m2m3根據(jù)質(zhì)能方程根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2和能量守恒定律，推導出和能量守恒定律，推導出光子的能量光子的能量( (即氘核的結(jié)合能）即氘核的結(jié)合能）并總結(jié)出求結(jié)合能的方法。并總結(jié)出求結(jié)合能的方法。2mcE計算結(jié)合能時，先計算計算結(jié)合能時，先計算質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損m m，在帶入，在帶入質(zhì)能方程求出結(jié)合能質(zhì)能方程求出結(jié)合能四四 質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損 EE四四 質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損 E=mcE=mc2 2HHn211110反應(yīng)前質(zhì)量反應(yīng)前質(zhì)量/kg反應(yīng)后質(zhì)量反應(yīng)

11、后質(zhì)量/kgmn1.67491027m氘氘3.34361027mp1.67261027總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量3.343610273.3475 1027理論值：理論值：m=(mn+mp-m氘）=0.0039 1027kg28 272)10 (3.010 0.0039=mc =EJ131051. 3試驗值：試驗值：MevMev19. 210106 . 11051. 3619132.22Mev2mcE計算任意核反應(yīng)中釋放計算任意核反應(yīng)中釋放的核能，先計算質(zhì)量虧的核能，先計算質(zhì)量虧損損m m，在帶入質(zhì)能方，在帶入質(zhì)能方程求出核能。程求出核能。核能核能質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損四四 質(zhì)能方程質(zhì)能方程 E=mcE

12、=mc2 2【討論與交流【討論與交流】四四 質(zhì)能虧損質(zhì)能虧損 E=mcE=mc2 21、質(zhì)量和能量是兩個完全不同的概念，它們表征的對、質(zhì)量和能量是兩個完全不同的概念，它們表征的對象不同，相互之間不能轉(zhuǎn)化。象不同，相互之間不能轉(zhuǎn)化。下面說法是否正確。并說明理由。下面說法是否正確。并說明理由。（1）由質(zhì)能方程）由質(zhì)能方程E=mc2，可推得，可推得E=mc2,這說明質(zhì)量這說明質(zhì)量就是能量，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。就是能量，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。2、質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量與能量的不可分割性，、質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量與能量的不可分割性，方程建立了這兩個屬性在數(shù)值上的關(guān)系。決不方程建立了這兩個屬性在數(shù)值上的關(guān)系。決不是

13、這兩個量相互轉(zhuǎn)化。是這兩個量相互轉(zhuǎn)化。（2）關(guān)系式）關(guān)系式E=mc2中的質(zhì)量虧損表明在核反應(yīng)時中的質(zhì)量虧損表明在核反應(yīng)時質(zhì)量不守恒。質(zhì)量不守恒。四四 質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損 E=mcE=mc2 2【討論與交流【討論與交流】下面說法是否正確。并說明理由。下面說法是否正確。并說明理由。（2）關(guān)系式）關(guān)系式E=mc2中的質(zhì)量虧損表明在核反應(yīng)時中的質(zhì)量虧損表明在核反應(yīng)時質(zhì)量不守恒。質(zhì)量不守恒。1、質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量兩部分組成、質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量兩部分組成2、 E=mc2中中m可以理解為靜止質(zhì)量的虧損，可以理解為靜止質(zhì)量的虧損， 也可以理解為釋放的能量也可以理解為釋放的能量E對應(yīng)的運動質(zhì)量增加

14、對應(yīng)的運動質(zhì)量增加3、因此質(zhì)量虧損不能簡單地認為質(zhì)量減少，質(zhì)量虧損的、因此質(zhì)量虧損不能簡單地認為質(zhì)量減少，質(zhì)量虧損的本質(zhì)是靜止質(zhì)量的虧損轉(zhuǎn)化為運動質(zhì)量，是質(zhì)量守恒在本質(zhì)是靜止質(zhì)量的虧損轉(zhuǎn)化為運動質(zhì)量，是質(zhì)量守恒在核反應(yīng)中的客觀體現(xiàn)核反應(yīng)中的客觀體現(xiàn)HnH211011m1m2m3EE 目標檢測目標檢測1、聯(lián)合國將、聯(lián)合國將2005年定為年定為“國際物理年國際物理年”，以紀，以紀念愛因斯坦對物理學的巨大貢獻。對于愛因斯念愛因斯坦對物理學的巨大貢獻。對于愛因斯坦提出的質(zhì)能方程坦提出的質(zhì)能方程E=mc2，下列說法中正確的，下列說法中正確的是（是（ )A、E=mc2表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比表明物

15、體具有的能量與其質(zhì)量成正比B、 E=mc2中的中的E表示發(fā)生核反應(yīng)過程中釋放的表示發(fā)生核反應(yīng)過程中釋放的核能核能C、 根據(jù)根據(jù)E= mc2 可以計算核反應(yīng)中釋放的可以計算核反應(yīng)中釋放的核能核能D、 E= mc2 表示發(fā)生的質(zhì)量虧損表示發(fā)生的質(zhì)量虧損 m轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變成為能量成為能量 E釋放出來釋放出來A、C2、當氘核和氚核聚合成氦核時會釋放大量能量，、當氘核和氚核聚合成氦核時會釋放大量能量，設(shè)氘核的質(zhì)量為設(shè)氘核的質(zhì)量為m1，氚核的質(zhì)量為，氚核的質(zhì)量為m2，氦核的，氦核的質(zhì)量為質(zhì)量為m3,中子的質(zhì)量為中子的質(zhì)量為m4,則反應(yīng)過程中釋放的則反應(yīng)過程中釋放的能量為：能量為： （ ） 目標檢測目標檢測232

16、1)(cmmm2421)(cmmm24321)(cmmmm22143)(cmmmmA、C、D、B、CnHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10423121核反應(yīng)方程為：核反應(yīng)方程為：2mcE 目標檢測（拓展）目標檢測（拓展）3、一個質(zhì)子和一個中子聚變結(jié)合成一個氘核，、一個質(zhì)子和一個中子聚變結(jié)合成