5.3 核力與結(jié)合能-1

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核力與結(jié)合能第五章原子核目錄CONTENTS核力與四種基本相互作用01質(zhì)量虧損結(jié)合能0302思考與討論：

原子核是由中子和質(zhì)子構(gòu)成的。在原子核那樣狹小的空間里，是什么力量把帶正電的質(zhì)子緊緊地束縛在一起而不飛散開(kāi)呢？核力與四種基本相互作用01一、核力與四種基本相互作用1.核力（強(qiáng)相互作用）：能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一起的強(qiáng)大的力叫做核力。特點(diǎn)：與萬(wàn)有引力和電磁力不同，距離增大時(shí)，強(qiáng)相互作用急劇減小，它的作用范圍只有約10-15m，即原子核的大小，超過(guò)這個(gè)界限，這種相互作用實(shí)際上已經(jīng)不存在了，它是短程力。這樣，萬(wàn)有引力、電磁力和強(qiáng)相互作用分別在不同的尺度上發(fā)揮了作用。（1）萬(wàn)有引力：引力主要在宏觀和宇宙尺度上“獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷”。是引力使行星繞恒星轉(zhuǎn)動(dòng)，并且聯(lián)系著星系團(tuán)，決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來(lái)。（3）強(qiáng)相互作用：在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將核子束縛在一起。（2）電磁力：在原子核外，電磁力使電子和原子核結(jié)合成分子，使分子結(jié)合成液體與固體。電磁力和萬(wàn)有引力都是“長(zhǎng)程力”，即它們可以作用到無(wú)限遠(yuǎn)的距離，當(dāng)然距離越遠(yuǎn)，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(qiáng)力更短，為10－18m，作用強(qiáng)度則比電磁力小。一、核力與四種基本相互作用2.四種基本相互作用結(jié)合能02二、結(jié)合能

氦原子核是由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子憑借核力結(jié)合在一起的，要把它們分開(kāi)，需要吸收能量。反過(guò)來(lái)，4個(gè)核子結(jié)合成氦原子核要放出能量。那么，把核子分開(kāi)需要的能量與核子結(jié)合放出的能量有什么關(guān)系？思考與討論：1.結(jié)合能：當(dāng)核子結(jié)合成原子核時(shí)要放出一定能量；原子核分解成核子時(shí)，要吸收同樣的能量。這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能。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。2.結(jié)合能大小的因素：二、結(jié)合能1.比結(jié)合能：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比稱(chēng)為比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能。2.注意：核子結(jié)合成原子核時(shí)，平均每個(gè)核子所釋放的結(jié)合能，它也等于把原子核拆散成每個(gè)核子時(shí)，外界提供給每個(gè)核子的平均能量。比結(jié)合能結(jié)合能核子數(shù)=3.意義：它反映了一個(gè)原子核穩(wěn)定程度。比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定。二、結(jié)合能二、結(jié)合能

不同原子核的比結(jié)合能是不一樣的，右圖是按照實(shí)際測(cè)量結(jié)果畫(huà)的圖線。可以看出，中等大小的核的比結(jié)合能最大（平均每個(gè)核子的質(zhì)量虧損最大），這些核最穩(wěn)定。4.不同原子核的比結(jié)合能圖像：質(zhì)量虧損031.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(gè)現(xiàn)象叫作質(zhì)量虧損。三、質(zhì)量虧損2.愛(ài)因斯坦已經(jīng)給我們指出了物體的能量與它的質(zhì)量的關(guān)系，即：E＝mc2【例題】已知中子的質(zhì)量是mn=1.6749×10-27kg，質(zhì)子的質(zhì)量是mp=1.6726×10-27kg，氘核的質(zhì)量是mD=3.3436×10-27kg，求氘核的比結(jié)合能.解析：?jiǎn)蝹€(gè)質(zhì)子和單個(gè)中子的質(zhì)量和為：mp+mn=（1.6726+1.6749）×10-27kg=3.3475×10-27kg這個(gè)數(shù)值與氘核質(zhì)量之差：Δm＝（mp+mn）-mD=（3.3475-3.3436）×10-27kg=0.0039×10-27kg與這個(gè)質(zhì)量差相對(duì)應(yīng)的能量為：ΔE=Δmc2=0.0039×10-27×(3.00×108)2J=3.51×10-13J核物理中，能量單位常使用電子伏特：1eV=1.60×10-19J，所以結(jié)合能是：

氘核的比結(jié)合能為：

3.質(zhì)能方程ΔE=mc2常用單位:

（1）m用“u(原子質(zhì)量單位)”：1u=1.660566×10-27kg

（2）ΔE用“uc2”：1uc2=931.5MeV（931.5兆電子伏）

(表示1u的質(zhì)量變化相當(dāng)于931.5MeV的能量改變)三、質(zhì)量虧損思考：將一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)氘核，能量減小了，是否違反了能量守恒定律？為什么？沒(méi)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。思考：將一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)氘核，質(zhì)量減小了，是否違反了質(zhì)量守恒定律？為什么？沒(méi)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(dòng)質(zhì)量。三、質(zhì)量虧損思考：根據(jù)質(zhì)能方程，能否認(rèn)為質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化？三、質(zhì)量虧損(1)質(zhì)量或能量是物質(zhì)的屬性之一，決不能把物質(zhì)和它們的某一屬性(質(zhì)量和能量)等同起來(lái)；(2)質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量和能量的不可分割性，方程建立了這兩個(gè)屬性在數(shù)值上的關(guān)系，這兩個(gè)量分別遵守質(zhì)量守恒和能量守恒，質(zhì)量和能量在數(shù)值上的聯(lián)系決不等于這兩個(gè)量可以相互轉(zhuǎn)化；課堂練習(xí)041．對(duì)原子核的組成，下列說(shuō)法正確的是（）A．核力可使一些中子組成原子核B．核力可使較多的質(zhì)子組成原子核C．不存在只有質(zhì)子的原子核D．質(zhì)量較大的原子核內(nèi)一定有中子D【答案】D【詳解】A．由于原子核帶正電，不存在只有中子的原子核，故A錯(cuò)誤；B．核力不能把較多的質(zhì)子集聚在一起組成原子核，因?yàn)楹肆κ嵌坛塘?，質(zhì)子這間還存在“長(zhǎng)程力”—庫(kù)侖力，故B錯(cuò)誤；C．自然界中存在只有一個(gè)質(zhì)子的原子核即

，故C錯(cuò)誤；D．較大質(zhì)量的原子核內(nèi)只有存在一些中子，才能消弱庫(kù)侖力，維系原子核的穩(wěn)定，故D正確。故選D。2．下列說(shuō)法正確的是（）A．結(jié)合能越大的原子核一定越穩(wěn)定B．核力存在于原子核內(nèi)任意兩個(gè)核子之間C．發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一個(gè)條件是鈾塊的體積必須達(dá)到臨界體積D．一個(gè)原子核發(fā)生一次α衰變，新核相對(duì)于原來(lái)的原子核，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都減少2C【答案】C【詳解】A．影響原子核穩(wěn)定性的是比結(jié)合能，故A錯(cuò)誤；B．核力是短距力，兩個(gè)核子需要處在一定距離內(nèi)才會(huì)有核力，故B錯(cuò)誤；C．鈾塊的體積必須達(dá)到臨界體積才能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，故C正確；D．一個(gè)原子核發(fā)生一次α衰變，新核相對(duì)于原來(lái)的原子核，質(zhì)量數(shù)減少4和電荷數(shù)減少2，故D錯(cuò)誤。故選C。3．原子核的平均結(jié)合能與質(zhì)量數(shù)之間的關(guān)系圖線如圖所示，下列說(shuō)法正確的是（）B4．1932年，考克饒夫和瓦爾頓用質(zhì)子加速器進(jìn)行人工核蛻變實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了質(zhì)能關(guān)系的正確性。在實(shí)驗(yàn)中，鋰原子核俘獲一個(gè)質(zhì)子后成為不穩(wěn)定的鈹原子核，隨后又蛻變?yōu)閮蓚€(gè)原子核，核反應(yīng)方程為

。已知

、

、X的質(zhì)量分別為m1=1.00728u、m2=7.01601u、m3=4.00151u，其中u為原子質(zhì)量單位，1u=931.5MeV/c2（c為真空中的光速）則在該核反應(yīng)中（）A．鈹