第19章(五六七八)核力與結(jié)合能-重核裂變-核聚變、粒子和宇宙

§19.5核力與結(jié)合能一、核力與四種基本相互作用①20世紀初，人們知道自然界存在萬有引力和電磁力這兩種基本相互作用，請算出相同的距離上，兩質(zhì)子間的電磁力是萬有引力的多少倍？質(zhì)子間的電磁力是萬有引力的1035倍②是什么作用使質(zhì)子在原子核內(nèi)共存？

這種作用力有哪些特點？人們對這種相互作用的認識還有哪些有待完善？

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。猜想：有第三種力--核力，是核力把核子緊緊地束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核。一、核力與四種基本相互作用2.

核力是短程力。約在10-15m量級時起作用，距離大于0.8×10-15m時為引力,距離為1.5×10-15m時核力幾乎消失，距離小于0.8×10-15m時為斥力，因此核子不會融合在一起。1.

核力是四種相互作用中的強相互作用（強力）的一種表現(xiàn)。在原子核尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多。3.

核力具有飽和性。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。核力特點4.

核力具有電荷無關(guān)性。對給定的相對運動狀態(tài)，核力與核子電荷無關(guān)。（P79）有待完善？

小于0.8×10-15m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③第四種基本相互作用就是弱相互作用，它有何作用？有何特點？

弱相互作用是引起原子核發(fā)生β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，其力程比強力更短，為10-18m，作用強度比電磁力弱。1.萬有引力：引力主要在宏觀和宇宙尺度上“獨領(lǐng)風騷”。是引力使行星繞恒星轉(zhuǎn)動，并且聯(lián)系著星系團，決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來。四種相互作用3.強相互作用：在原子核內(nèi)，強力將核子束縛在一起。2.電磁力：在原子核外，電磁力使電子結(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“長程力”，即它們可以作用到無限遠的距離，當然距離越遠，力就越小4.弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β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，其力程比強力更短，為10－18m，作用強度則比電磁力小。

物理學有一條理論：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二、原子核中質(zhì)子和中子的比例①穩(wěn)定的輕核（原子序數(shù)小于20）的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有何特點？你能分析其中的原因嗎？輕核（原子序數(shù)小于20）的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)大致相等；對輕核而言，核子數(shù)量相對較小，核子間距處于核力作用范圍之內(nèi)，由于核力遠大于電磁力，即使質(zhì)子和中子成對出現(xiàn)，強大的核力也可以將核子緊緊地束縛在原子核的范圍之內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核。②穩(wěn)定的重核（原子序數(shù)大于20）的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有何特點？你能分析其中的原因嗎？二、原子核中質(zhì)子和中子的比例重核（原子序數(shù)大于20）的質(zhì)子數(shù)小于中子數(shù)；對于重核而言，核子數(shù)量大，核子間距也大，由于核力的飽和性，核力會因為核子間距的變大而大幅度減小，甚至小于電磁力。如果質(zhì)子和中子再成對出現(xiàn)，原子核不穩(wěn)定；如果只增加中子，由于中子之間不存在庫侖力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)定，所以重核內(nèi)中子數(shù)會明顯大于質(zhì)子數(shù)。三、結(jié)合能①將一個質(zhì)子和中子結(jié)合在一起，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？若要把它們分開，需要什么條件？宏觀模型：相距很遠的兩個物體，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份能量。

微觀模型：原子核是核子結(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。

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，需要通過碰撞、施加電場、賦予光子等某種途徑讓它得到13.6eV的能量。這個能量實際上就是電子與氫原子核的結(jié)合能，不過通常把它叫做氫原子的電離能，而結(jié)合能一詞只用在原子核中

②結(jié)合能是原子擁有的能量嗎？如何理解結(jié)合能？三、結(jié)合能

核子結(jié)合成原子核時要放出一定能量；原子核分解成核子時，要吸收同樣的能量。這個能量叫做原子核的結(jié)合能。結(jié)合能不是由于核子結(jié)合成原子核而擁有的能量，而是為把核子分開而需要的能量。③結(jié)合能的大小與什么因素有關(guān)？

組成原子核的核子數(shù)，組成原子核的核子數(shù)越多，結(jié)合能越大。

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④什么是比結(jié)合能？為什么說比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合越牢固、原子越穩(wěn)定？四、質(zhì)量虧損①物體的質(zhì)量和能量有何關(guān)系？若一個物體質(zhì)量減小了△m，那么它的能量減小多少？

愛因斯坦的質(zhì)能方程：E＝mc2，

能量變化ΔE=Δm·c2四、質(zhì)量虧損②已知中子的質(zhì)量mn=1.6749×10-27kg，質(zhì)子的質(zhì)量為mp=1.6726×10-27kg，氘核的質(zhì)量mD=3.3436×10-27kg。將一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成一個氘核，質(zhì)量減小了多少？能量減小了多少？氘核的結(jié)合能是多少？比結(jié)合能是多少？質(zhì)量減小量:

△m=(mp+mn)-

mD=0.0039×10-27kg；能量減小量:

△E=△m

c2=3.51×10-13J=2.19×106eV；結(jié)合能:△E=△m

c2=2.19MeV；比結(jié)合能為:△E/n=△E/2=1.10MeV。四、質(zhì)量虧損③將一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成一個氘核，能量減小了，是否違反了能量守恒定律？為什么？

沒有違反能量守恒定律；減小的這部分能量以γ光子釋放出去。④將一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成一個氘核，質(zhì)量減小了，是否違反了質(zhì)量守恒定律？為什么？

沒有違反質(zhì)量守恒定律；減小的那部分質(zhì)量等于γ光子的動質(zhì)量。⑤什么是質(zhì)量虧損？質(zhì)量虧損表明什么？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。⑥如右圖，哪些原子核最穩(wěn)定，為什么？

中等大小的核最穩(wěn)定，因為這些核的比結(jié)合能最大（平均每個核子的質(zhì)量虧損最大）。四、質(zhì)量虧損⑦若要釋放結(jié)合能，我們可以怎么做？為什么？

使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成中等質(zhì)量的核；因為使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成

中等大小的核，核子的

比結(jié)合能都會增加，

即核子將發(fā)生新的

質(zhì)量虧損，釋放新

的核能。19.6重核的裂變核反應(yīng)原子核

在核物理學中，原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程，稱為核反應(yīng)．

物理學中把重核分裂成質(zhì)量較小的核，釋放核能的反應(yīng)叫做裂變．把輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，釋放出核能的反映叫做聚變．一、裂變〓聚變〓裂變1939年12月，德國物理學家哈恩和他的助手斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)，用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生了裂變。鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，一種典型的反映是裂變?yōu)殇^和氪，同時放出三個中子，其核反應(yīng)方程是：鈾核的裂變+→++裂變中釋放出巨大的能量，在上述裂變中，裂變后的總質(zhì)量小于裂變前的總質(zhì)量，質(zhì)量虧損：釋放出的能量為1kg鈾全部裂變，它放出的能量超過2000t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時釋放的能量．由裂變重核裂變產(chǎn)生的中子使反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈式反應(yīng)．鏈式反應(yīng)使裂變物資能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的最小體積叫做它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量。用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生了裂變，釋放出的中子又引起了其他鈾核的裂變，也就是鏈式反應(yīng)．原子彈原子彈中國第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖解決能源危機根本途徑——核能

可開發(fā)的核裂變?nèi)剂腺Y源可使用上千年。核聚變資源可使用幾億年。二、核電站水泥防護層控制棒——鎘棒燃料棒—鈾棒減速劑鏈式反應(yīng)的應(yīng)用——

核電站慢中子反應(yīng)堆二、核電站核能----解決能源危機的根本途徑核發(fā)電量占總發(fā)電比例最多的10個國家是：法國75%

立陶宛73.1%

比利時57.7%

保加利亞47.1%

斯洛伐克47%

瑞典46.8%

烏克蘭43.8%

韓國42.8%

匈牙利38.3%

亞美尼亞36.4%世界核能發(fā)電占全部電量1/4

核電站－－－－秦山核電站核電站－－－－大亞灣核電站核燃料————鈾235第七節(jié)核聚變復習：1.核裂變、鏈式反應(yīng)的概念？鏈式反應(yīng)的條件？2.什么是核反應(yīng)堆？它由哪些組成？各自作用是什么？核電站概念？鈾核裂變的兩種常見方式？人為控制鏈式反應(yīng)的速度，使得核能按照人們的需要平緩地釋放出來--------核反應(yīng)堆。核反應(yīng)堆是可以進行核裂變鏈式反應(yīng)，并對其輸出功率能夠安全地進行控制的裝置核電站，它是將核反應(yīng)堆所產(chǎn)生的熱能引出到外部，并且高效率地將熱能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備。核子平均質(zhì)量核子的平均質(zhì)量與原子序數(shù)之間的關(guān)系裂變聚變在消耗相同質(zhì)量的核燃料時，聚變比裂變能釋放更多的能量．一、核聚變1.概念：輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，釋放出核能的反應(yīng)例如：一個氘核和一個氚核結(jié)合成一個氦核（同時放出一個中子）時，釋放17.6MeV的能量，平均每個核子放出的能量在3MeV以上，比裂變反應(yīng)中平均每個核子釋放的能量大3～4倍．這時的核反應(yīng)方程式是：輕核的聚變:根據(jù)所給數(shù)據(jù),計算下面核反應(yīng)放出的能量:氘核的質(zhì)量：mD＝2.014102u氚核的質(zhì)量：mT＝3.016050u氦核的質(zhì)量：mα＝4.002603u中子的質(zhì)量：mn=1.008665u如何能使輕核發(fā)生聚變呢1、必須讓輕核的距離非常接近2、必須讓輕核具有很大的動能需要克服極大的庫侖斥力如何能使輕核具有很大的動能呢？可以將輕核加熱到很高的溫度當物質(zhì)達到幾百萬攝氏度以上的高溫時，劇烈的熱運動使得一部分原子核已經(jīng)具有足夠的動能，可以克服相互之間的庫侖斥力，在碰撞時發(fā)生聚變．因此，聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)．目前，熱核反應(yīng)主要用在核武器上氫彈氫彈原理圖太陽是一個巨大的熱核反應(yīng)堆二、受控熱核反應(yīng)（1）輕核聚變產(chǎn)能效率高1.聚變與裂變相比的優(yōu)點：相同的核燃料釋放的能量多（2）地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富（3）輕核聚變更安全、清潔（4）反應(yīng)中放射物質(zhì)的處理較易2.實現(xiàn)核聚變的難點：１、熱核反應(yīng)的的點火溫度很高；２、如何約束聚變所需的燃料；磁約束目前，解決這些難題的途徑之一是利用等離子體

當用強大的電流向核聚變?nèi)剂想怏w）放電時，就能產(chǎn)生幾千萬甚至上億攝氏度的高溫，同時使氘原子分離成帶正電的和帶負電的粒子，從而形成了“等離子體”用強磁場能夠促使高溫下的帶電粒子會聚成細柱狀而不飛散，這樣就能根據(jù)需要來控制核聚變反應(yīng)的速度慣性約束將具有巨大能量的激光用透鏡形成一個極小的焦斑，這樣就能產(chǎn)生極高的溫度，利用這一高溫，可使處在焦斑處的液態(tài)氘逐漸地向四周形成聚變反應(yīng)。磁約束與托卡馬克核聚變裝置慣性約束與激光核聚變

激光核聚變。它是在一個直徑約100微米的小球內(nèi)充以高壓的氘一氚混合氣體（或結(jié)冰的固體），稱靶丸，然后用強功率的激光束均勻地從四面八方照射小靶丸，靶丸中的核燃料吸收激光的能量形成等離子體，這些等離子體因其慣性，在還來不及飛散開的極短時間內(nèi)，向內(nèi)壓縮到很高密度（液體密度的一千到一萬倍）和加熱到很高溫度，因而產(chǎn)生熱核聚變反應(yīng)。這種聚變方法就稱為激光核聚變或激光“聚爆”。它的特點是靠自身的慣性來約束的。再創(chuàng)造一個太陽?。?/p>

反應(yīng)堆解決能源問題是當今社會的一個最急迫的問題，而最讓人注目的就是

-------熱核反應(yīng)第八節(jié)粒子和宇宙一、“基本粒子”不基本二、發(fā)現(xiàn)新粒子1932年發(fā)現(xiàn)了正電子1937年發(fā)現(xiàn)了μ子1947年發(fā)現(xiàn)了