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1、第五节 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万有引力和电磁电磁 力力这两种基本相互作用，你能算出相同的距离上 ，两质子间的电磁力是万有引力的多少倍？电磁力是万有引力的多少倍？核子靠什么力结合成原子核？原子核的半径约为10-15m , 只相当原子半径的万分之一。在这么小的空间里带正电的质子与质子间的库仑斥力是很大，万有引 力太小，只有库仑力的10-36。而通常原子核是稳定的,于是核内还应有另一种力把各种核子紧紧拉 在一起, 此力称为核力。核力mpmp库仑力库仑力万有 引力万有 引力核力核力：能够把核中的各种核子联系在一起的 强大的力叫做核力核力具有怎样的特
2、点呢？1、核力：核力有哪些特点？核力有哪些特点？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。 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。（见书本P79图）2 2第四种基本相互作用就是弱相互作用，它第四种基本相互作用就是弱相互作用，它有何有何
3、 作用？有何特点？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，为10-8m，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
4、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 统一起来呢？二、原子核中质子和中子的比例稳定的稳定的轻核轻核（原子序数小于（原子序数小于2020）的）的质子数和中质子数和中 子数有何特点子数有何特点？你能分析其中的？你能分析其中的原因原因吗？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。稳定的稳定的重核重核
5、（原子序数大于（原子序数大于2020）的）的质子数和中质子数和中 子数有何特点子数有何特点？你能分析其中的？你能分析其中的原因原因吗？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 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 。二、原子核中质子和中子的比例不能；由于核力的作用范围是有限的，以及核 力的饱和性，如果我们我们继续
6、增大原子核，一些 核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这 时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。若不断若不断增大增大原子核的原子核的中子数中子数，能不断，能不断增大原子增大原子 核吗核吗？为什么？为什么？在宇宙演化的进程中，各种粒子有机会进行 各种组合，但那些不稳定的组合很快就瓦解了，只 有200多种稳定的原子核长久地留了下来。现在观 察到的天然放射性元素，则正在瓦解之中。三、结合能当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。结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量 ，而是为把核子分开而需要的能量。类比分析：要使基态
7、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 比结合能：结合能与核子数之比，称做比结 合能，也叫平均结合能。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四、质量亏损物体的物体的质量质量和和能量能量有何关系？若一个物体质量有何关系？若一个物体质量 减小了减小了m m，那么它的能量减小多少？，那么它的能量减小多少？爱因斯坦的质能方程：Emc2，能量减小E=
8、mc2已知中子的质量已知中子的质量m mn n=1.674910=1.674910-27-27kgkg，质子的质，质子的质 量为量为m mp p=1.672610=1.672610-27-27kgkg，氘核的质量，氘核的质量m mD D=3.343610=3.343610-27-27kgkg。将一个质子和一个中子结合。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 ？氘核的结合能是多少？比结合能是多少？氘核的结合能是多少？比结合能是多少？四、质量亏损已知中子的质量已知中子的质量m mn n=1.674910=1.674910-27
9、-27kgkg，质子的质，质子的质 量为量为m mp p=1.672610=1.672610-27-27kgkg，氘核的质量，氘核的质量m mD D=3.343610=3.343610-27-27kgkg。将一个质子和一个中子结合。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 ？氘核的结合能是多少？比结合能是多少？氘核的结合能是多少？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；
10、 比结合能为:E/n=E/2=1.10MeV 。四、质量亏损将一个将一个质子质子和一个和一个中子中子结合成一个结合成一个氘核氘核，能量能量 减小减小了，是否了，是否违反了能量守恒违反了能量守恒定律？为什么？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。将一个将一个质子质子和一个和一个中子中子结合成一个氘核，结合成一个氘核，质量质量 减小减小了，是否了，是否违反了质量守恒违反了质量守恒定律？为什么？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。什么是什么是质量亏损质量亏损？质量亏损？质量亏损表明表明什么？什么？四、质量亏损原子核的质量小于组成它的
11、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，哪些原子如右图，哪些原子 核最稳定，为什么？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、质量亏损若要若要释放结合能释放结合能，我们可以，我们可以怎么做怎么做？为什么？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。典例探究四、质量亏损A.反应应后氘氘核的质质量一定小于反应应前质质子和
12、中子的质质量和 B.反应应前后质质量数不变变，因而质质量不变变 C.核子结结合成核时时，一定释释放核能 D.光子具有的能量为为例2（B级级）.中子和质质子结结合成氘氘核，同时释时释 放光子，核反应应方程是 ,下列 说说法正确的是（ ）为为核反应应中的质质量亏损损ACD 典例探究四、质量亏损例3(B级). 碳原子质量的1/12叫做原子质量单位，用u表 示。试证明1u相当于931MeV。 证明：碳原子的摩尔质量为M=12g/mol，所以一个碳 原子质量为m=M/NA=1.99310-26kg所以1u=m/12=M/12NA=1.660610-27kg代入公式E=mc2得：E=1.492410-10J=931MeV得证课堂练习:碳原子的质量是12.000 000 u，可以看做是由6个氢 原子(质量是1.007 825u)和6个中子组成的求核子 结合成碳原子核时释放的能量(在计算中可以用碳 原子的质量代替碳原子核的质量，用氢原子的质量 代替质子的质量，因为电子的质量可以在相减过程 中消去)
