《第19章(五六七八)核力与结合能-重核裂变-核聚变、粒子和宇宙》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第19章(五六七八)核力与结合能-重核裂变-核聚变、粒子和宇宙（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、19.5 核力与结合能,一、核力与四种基本相互作用,20世纪初，人们知道自然界存在万有引力和电磁力这两种基本相互作用，请算出相同的距离上，两质子间的电磁力是万有引力的多少倍？,质子间的电磁力是万有引力的1035倍,是什么作用使质子在原子核内共存？ 这种作用力有哪些特点？人们对这种相互作用的认识还有哪些有待完善？,原子核中的质子要靠自身的万有引力来抗衡相互间的库仑力是不可能的。 猜想：有第三种力-核力，是核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。,一、核力与四种基本相互作用,2. 核力是短程力。约在 10-15m量级时起作用，距离大于0.810-15m时为引力, 距离为1.510-15m时核
2、力几乎消失，距离小于0.810-15m时为斥力，因此核子不会融合在一起。,1. 核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。,3. 核力具有饱和性。每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。,核力特点,4. 核力具有电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。（P79）,有待完善？ 小于0.810-15m时核力的变化规律还不清楚。,一、核力与四种基本相互作用,第四种基本相互作用就是弱相互作用，它有何作用？有何特点？,弱相互作用是引起原子核发生衰变的原因,即引起中子质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，
3、为10-18 m，作用强度比电磁力弱。,1.万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，决定了宇宙的现状和未来。,四种相互作用,3.强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。,2.电磁力：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。 电磁力和万有引力都是“长程力”，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小,4.弱相互作用：弱相互作用是引起原子核衰变的原因，即引起中子质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为1018m，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。能否将这四条理论统一起来
4、呢？,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,稳定的轻核（原子序数小于20）的质子数和中子数有何特点？你能分析其中的原因吗？,轻核（原子序数小于20）的质子数和中子数大致相等；对轻核而言，核子数量相对较小，核子间距处于核力作用范围之内，由于核力远大于电磁力，即使质子和中子成对出现，强大的核力也可以将核子紧紧地束缚在原子核的范围之内，形成稳定的原子核。,稳定的重核（原子序数大于20）的质子数和中子数有何特点？你能分析其中的原因吗？,二、原子核中质子和中子的比例,重核（原子序数大于20）的质子数小于中子数；对于重核而言，核子数量大，核子间距也大，由于核力的饱和性，核力会因为核子间
5、距的变大而大幅度减小，甚至小于电磁力。如果质子和中子再成对出现，原子核不稳定；如果只增加中子，由于中子之间不存在库仑力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以重核内中子数会明显大于质子数。,三、结合能,将一个质子和中子结合在一起，会产生什么现象？若要把它们分开，需要什么条件？,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
6、。,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,结合能是原子拥有的能量吗？如何理解结合能？,三、结合能,核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量。这个能量叫做原子核的结合能。 结合能不是由于核子结合成原子核而拥有的能量，而是为把核子分开而需要的能量。,结合能的大小与什么因素有关？,组成原子核的核子数，组成原子核的核子数越多，结合能越大。,结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平
7、均结合能。 比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。因为比结合能越大，将每个核子分开 所需的能量 越大。,三、结合能,什么是比结合能？为什么说比结合能越大，原子核中核子结合越牢固、原子越稳定？,四、质量亏损,物体的质量和能量有何关系？若一个物体质量减小了m，那么它的能量减小多少？,爱因斯坦的质能方程：Emc2， 能量变化 E=mc2,四、质量亏损,已知中子的质量 mn=1.674910-27kg ，质子的质量为 mp=1.672610-27kg ，氘核的质量mD=3.343610-27kg 。将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了多少？能量减小了多少？氘核的结合能是多
8、少？比结合能是多少？,质量减小量: m=( mp+ mn)- mD=0.003910-27kg； 能量减小量: E=m c2=3.5110-13J=2.19106eV； 结合能:E=m c2=2.19MeV； 比结合能为:E/n=E/2=1.10MeV 。,四、质量亏损,将一个质子和一个中子结合成一个氘核，能量减小了，是否违反了能量守恒定律？为什么？,没有违反能量守恒定律；减小的这部分能量以光子释放出去。,将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了，是否违反了质量守恒定律？为什么？,没有违反质量守恒定律；减小的那部分质量等于光子的动质量。,什么是质量亏损？质量亏损表明什么？,四、质量亏损,
9、原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象称为质量亏损。质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。,如右图，哪些原子核最稳定，为什么？,中等大小的核最稳定，因为这些核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大）。,四、质量亏损,若要释放结合能，我们可以怎么做？为什么？,使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等质量的核； 因为使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成 中等大小的核，核子的 比结合能都会增加， 即核子将发生新的 质量亏损，释放新 的核能。,19.6 重核的裂变,核反应,原子核,在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应,物理学中
10、把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反映叫做聚变,一、裂变,聚变,裂变,1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。铀核裂变的产物是多种多样的，一种典型的反映是裂变为钡和氪，同时放出三个中子，其核反应方程是：,铀核的裂变,+,+,+,裂变中释放出巨大的能量，在上述裂变中，裂变后的总质量小于裂变前的总质量，质量亏损：,释放出的能量为,1kg铀全部裂变，它放出的能量超过2000t优质煤完全燃烧时释放的能量,由裂变重核裂变产生的中子使反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应,链式反应,使裂变
11、物资能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。,用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变，释放出的中子又引起了其他铀核的裂变，也就是链式反应,原子弹,原子弹,中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图,解决能源危机根本途径核能 可开发的核裂变燃料资源可使用上千年。 核聚变资源可使用几亿年。,二、核电站,链式反应的应用 核电站慢中子反应堆,二、核电站,核能-解决能源危机的根本途径 核发电量占总发电比例最多的10个国家是： 法国 75% 立陶宛 73.1% 比利时 57.7% 保加利亚 47.1% 斯洛伐克 47% 瑞典 46.8% 乌克兰 43.8% 韩国 42.8% 匈牙利 38.3%
12、 亚美尼亚 36.4%,世界核能发电占全部电量1/4,核电站秦山核电站,核电站大亚湾核电站,核燃料铀235,第七节 核 聚 变,复习：,1.核裂变、链式反应的概念？,链式反应的条件？,2.什么是核反应堆？它由哪些组成？各自作用是什么？核电站概念？,铀核裂变的两种常见方式？,人为控制链式反应的速度，使得核能按照人们的需要 平缓地释放出来-核反应堆。,核反应堆是可以进行核裂变链式反应，并对其输出功率 能够安全地进行控制的装置,核电站，它是将核反应堆所产生的热能引出到外部， 并且高效率地将热能转换成电能的设备。,核子平均质量,核子的平均质量与原子序数之间的关系,裂变,聚变,在消耗相同质量的核燃料时，
13、聚变比裂变能释放更多的能量,一、核聚变,1.概念：,轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应,例如：一个氘核和一个氚核结合成一个氦核（同时放出一个中子）时，释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子释放的能量大34倍这时的核反应方程式是：,轻核的聚变:,如何能使轻核发生聚变呢,1、必须让轻核的距离非常接近,2、必须让轻核具有很大的动能,需要克服极大的库仑斥力,如何能使轻核具有很大的动能呢？,可以将轻核加热到很高的温度,当物质达到几百万摄氏度以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核已经具有足够的动能，可以克服相互之间的库仑斥力，在碰撞时发生聚变因此
14、，聚变反应又叫热核反应,目前，热核反应主要用在核武器上,氢弹,氢弹原理图,太阳是一个巨大的热核反应堆,二、受控热核反应,（1）轻核聚变产能效率高,1.聚变与裂变相比的优点：,相同的核燃料释放的能量多,（2）地球上聚变燃料的储量丰富,（3）轻核聚变更安全、清洁,（4）反应中放射物质的处理较易,2.实现核聚变的难点：,、热核反应的的点火温度很高；,、如何约束聚变所需的燃料；,磁约束,目前，解决这些难题的途径之一是利用等离子体,当用强大的电流向核聚变燃料氘（气体）放电时， 就能产生几千万甚至上亿摄氏度的高温，同时使 氘原子分离成带正电的和带负电的粒子，从而形成 了“等离子体”,用强磁场能够促使高温下
15、的带电粒子会聚成细柱状而 不飞散，这样就能根据需要来控制核聚变反应的速度,惯性约束,将具有巨大能量的激光用透镜形成一个极小的焦斑，这样就能产生极高的温度，利用这一高温，可使处在焦斑处的液态氘逐渐地向四周形成聚变反应。,磁约束与托卡马克核聚变装置,惯性约束与激光核聚变,激光核聚变。它是在一个直径约100微米的小球内充以高压的氘一氚混合气体（或结冰的固体），称靶丸，然后用强功率的激光束均匀地从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离子体，这些等离子体因其惯性，在还来不及飞散开的极短时间内，向内压缩到很高密度（液体密度的一千到一万倍）和加热到很高温度，因而产生热核聚变反应。这种聚变方
16、法就称为激光核聚变或激光“聚爆”。 它的特点是靠自身的惯性来约束的。,再创造一个太阳！,反应堆解决能源问题是当今 社会的一个最急迫的问题，而 最让人注目的就是 -热核反应,第八节 粒 子 和 宇 宙,一、“基本粒子”不基本,二、发现新粒子,1932年发现了正电子,1937年发现了子,1947年发现了K介子和介子,超子,三、反粒子：,质量相同而电荷及其他一些物理性质相反两个粒子。,例如：电子的反粒子,正电子,质子的反粒子,反质子,1.数以百计的新发现的粒子都不是由质子中子电子组成的,2. 质子中子等等本身也是复合粒子，有着复杂结构。,四、粒子分类：（粒子与各种相互作用关系）,强子：,轻子：,媒介子：,参与强相互作用的粒子,不参与强相互作用的粒子,传递各种相互作
