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1、 5 5 核力与结合能核力与结合能 1. 了解四种基本相互作用，知道核力的性质；了解四种基本相互作用，知道核力的性质； 2. 认认识识原原子子核核的的结结合合能能及及质质量量亏亏损损，并并能能应应用用质质能能方方程程进进行计算；行计算； 3. 能能简简单单解解释释重重核核和和轻轻核核内内中中子子数数、质质子子数数具具有有不不同同比比例例的原因。的原因。学习目标 先先让让学学生生完完成成预预读读课课文文，将将主主要要知知识识点点大大概概了了解解一一遍遍，然然后后提提出出问问题题由由学学生生自自主主讨讨论论，达达到到会会根根据据质质能能方方程程和和质质量量亏亏损损的的概概念念计计算算核核反反应应中
2、中释释放放的的核核能能；培培养养学学生生的的理理解解能能力力、推推理理能能力力，掌掌握握结结合合能能的的概概念念、爱爱因因斯斯坦坦的的质质能能方方程程、质质量量与与能能量量的关系。的关系。设计思路新课导入原子核原子核是由是由质子质子和和中子中子组成的，质子和中子统称为组成的，质子和中子统称为核子核子。提出问题提出问题 质子间存在着巨大的库仑力，那为什么质子没质子间存在着巨大的库仑力，那为什么质子没有被排斥开，反而还紧紧的结合在一起呢？有被排斥开，反而还紧紧的结合在一起呢？猜想猜想 万有引力万有引力分析论证分析论证 质质子子相相互互距距离离 r 的的数数量量级级为为 10-15 m；质质子子质质
3、量量 m 的的数数量量级级为为 10-27 kg，质质子子电电量量e的的数数量量级级为为 10-19 C；万万有有引引力力常常量量 G 的的数数量量级级为为 10-11，静静电电力力常常量量 k 的的数数量量级级为为 109。估估算算库库仑力与万有引力之比。仑力与万有引力之比。 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。力是不可能的。再猜想再猜想 在核子间一定存在着第三种力，使核子能紧密的结合在在核子间一定存在着第三种力，使核子能紧密的结合在一起。一起。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：能够把核中
4、的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用新 课 讲 授pnnppn2. 核力是一种短程力。作用范围仅核力是一种短程力。作用范围仅限于限于1.5 1015 m 之内；之内；3. 每个核子只跟相邻的核子发生核力的作用，这种性质称为每个核子只跟相邻的核子发生核力的作用，这种性质称为核力的饱和性。核力的饱和性。1. 核力是一种强相互作用力。在它的作用范围内比库仑力大核力是一种强相互作用力。在它的作用范围内比库仑力大得多；得多；注注意意除除核核力力外外原原子子核核内内还还存存在在弱弱相相互互作作用用（弱弱力力），弱弱力力是是引引起起中中子子质质子子转转变
5、变的的原原因因，弱弱相相互互作作用用也也是是短短程程力力，力力程程比比强强力更短，为力更短，为1018 m，作用强度则比电磁力小。，作用强度则比电磁力小。1. 1. 万万万万有有有有引引引引力力力力：引引引引力力力力主主主主要要要要在在在在宏宏宏宏观观观观和和和和宇宇宇宇宙宙宙宙尺尺尺尺度度度度上上上上“ “独独独独领领领领风风风风骚骚骚骚” ”。是是是是引引引引力力力力使使使使行行行行星星星星绕绕绕绕恒恒恒恒星星星星转转转转动动动动，并并并并且且且且联联联联系系系系着着着着星星星星系系系系团团团团，决决决决定定定定了了了了宇宇宇宇宙宙宙宙的的的的现现现现状状状状和和和和未来。未来。未来。未来
6、。四种相互作用四种相互作用3. 3. 强相互作用：强相互作用：强相互作用：强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。在原子核内，强力将核子束缚在一起。在原子核内，强力将核子束缚在一起。在原子核内，强力将核子束缚在一起。2. 2. 电电电电磁磁磁磁力力力力：在在在在原原原原子子子子核核核核外外外外，电电电电磁磁磁磁力力力力使使使使电电电电子子子子结结结结合合合合成成成成分分分分子子子子，使使使使分分分分子子子子结结结结合合合合成液体与固体。成液体与固体。成液体与固体。成液体与固体。4. 4. 弱弱弱弱相相相相互互互互作作作作用用用用：弱弱弱弱相相相相互互互互作作作作用用用用是是是是引引引引起
7、起起起原原原原子子子子核核核核 衰衰衰衰变变变变的的的的原原原原因因因因，即即即即引引引引起起起起中子质子转变的原因。中子质子转变的原因。中子质子转变的原因。中子质子转变的原因。长程力长程力短程力短程力 自自然然界界中中较较轻轻的的原原子子核核，质质子子数数与与中中子子数数大大致致相相等等，但但对对于于较较重重的的原原子子核核，中中子子数数大大于于质质子子数数，越越重重的的元元素素，两者相差越多。两者相差越多。质子数质子数中中子子数数理想的理想的质子数质子数和中子和中子数相等数相等的稳定的稳定原子核原子核实际存在实际存在的原子核的原子核二、原子核中质子与中子的比例二、原子核中质子与中子的比例原
8、因分析核越大，核子间距离增大库仑力与核力均减小，但核力减小的快增大到一定程度时，核力较小，不足以平衡库仑力时，原子核会不稳定。若增加中子，与其它核子无库仑力，但有核力，有助于原子核稳定核力是短程力，若超过其作用范围，增加中子，原子核也不稳定，所以原子序数越大越不稳定。质子数质子数中中子子数数理想的理想的质子数质子数和中子和中子数相等数相等的稳定的稳定原子核原子核实际存在实际存在的原子核的原子核 由由于于核核力力的的作作用用范范围围是是有有限限的的，如如果果继继续续增增大大原原子子核核，一一些些核核子子间间的的距距离离会会大大到到其其间间根根本本没没有有核核力力的的作作用用，这这时时即即使使再再
9、增加中子也无济于事，这样的核必然是不稳定的。增加中子也无济于事，这样的核必然是不稳定的。 在在宇宇宙宙演演化化的的进进程程中中，各各种种粒粒子子有有机机会会进进行行各各种种组组合合，但但那那些些不不稳稳定定的的组组合合很很快快就就瓦瓦解解了了，只只有有200多多种种稳稳定定的的原原子子核核长长久久地地留留了了下下来来。现现在在观观察察到到的的天天然然放放射射性性元元素素，则则正正在在瓦瓦解解之中。之中。 由由于于核核子子间间存存在在着着强强大大的的核核力力，所所以以核核子子结结合合成成原原子子核或原子核核或原子核分解分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化。为核子时，都伴随着巨大的能量变化。 可可
10、见见，当当核核子子结结合合成成原原子子核核时时要要放放出出一一定定能能量量；原原子子核核分分解解成成核核子子时时，要要吸吸收收同同样样的的能能量量。这这个个能能量量叫叫做做原原子子核核的的结合能结合能。三、结合能三、结合能例如例如 结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而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。是为把核子分开而需要的能量。比结合能：比结合能：结合能与核子数之比，结合能与核子数之比，称做比称做比结合能结合能。也。也叫平均结叫平均结合能合能。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。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢
11、固，原子核越稳定。 结合能越大原子核是不是越难被拆散？即结合能的大小结合能越大原子核是不是越难被拆散？即结合能的大小能不能反映原子核的稳定程度？能不能反映原子核的稳定程度？讨讨 论论 与与 交交 流流 核子结合成原子核时，质量减少。原子核的质量小于组核子结合成原子核时，质量减少。原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，这两者的差额叫做成原子核的核子的质量之和，这两者的差额叫做质量亏损质量亏损。式中式中c是真空中的光速，是真空中的光速，m是物体的质量，是物体的质量，E是物体的能量是物体的能量四、质量亏损四、质量亏损E=mc2爱因斯坦质能方程对质能方程的理解：对质能方程的理解：（1）物体具有的
12、能量跟它的质量存在着简单正比关系。）物体具有的能量跟它的质量存在着简单正比关系。（2）任何质量为）任何质量为m的物体都具有大小相当于的物体都具有大小相当于mc2的能量。任何一部的能量。任何一部分能量也都与一定的质量相对应。分能量也都与一定的质量相对应。（3）物体的质量发生变化，相对应的能量也会变化。）物体的质量发生变化，相对应的能量也会变化。核子在结合成原子核时出现质量亏损，正表明它们在互核子在结合成原子核时出现质量亏损，正表明它们在互相结合过程中放出了能量相结合过程中放出了能量。大小为：。大小为：E=mc2核能核能质量亏损质量亏损方法：方法：计算结合能时，先计算质计算结合能时，先计算质量亏损
13、量亏损m，再代入质能方，再代入质能方程求出结合能。程求出结合能。推广：推广：计算任意核反应中释放的核计算任意核反应中释放的核能时，先计算质量亏损能时，先计算质量亏损m，再代入质能方程求出核能。再代入质能方程求出核能。 已已知知中中子子的的质质量量 mn = 1.67491027 Kg， 质质子子的的质质量量 mp = 1.67261027 Kg ， 氘氘核核的的质质量量 mD = 3.34361027 Kg ，求求氘核的结合能。氘核的结合能。m = 0.00391027 Kg质量亏损质量亏损:典典 例例 探探 究究释放能量释放能量: E = mc2 = 3.5110-13 J= 2.19 Me
14、V比结合能为：比结合能为：讨讨 论论 与与 交交 流流 判断下面说法是否正确，并说明理由。判断下面说法是否正确，并说明理由。 1. 由质能方程由质能方程E=mc2，可推得，可推得E= mc2，这说明质量，这说明质量就是能量，质量可以转化为能量。就是能量，质量可以转化为能量。 质量和能量是两个完全不同的概念，它们表征的对象不同，质量和能量是两个完全不同的概念，它们表征的对象不同，相互之间不能转化。相互之间不能转化。 质能方程揭示了质量与能量的不可分割性，方程建立了这质能方程揭示了质量与能量的不可分割性，方程建立了这两个属性在数值上的关系。决不是这两个量相互转化。两个属性在数值上的关系。决不是这两
15、个量相互转化。 2. 关系式关系式E= mc2中的质量亏损表明在核反应时质量中的质量亏损表明在核反应时质量不守恒。不守恒。 质量包括静止质量和运动质量两部分组成。质量包括静止质量和运动质量两部分组成。 E= mc2中中 m可以理解为静止质量的亏损，也可以理解可以理解为静止质量的亏损，也可以理解为释放的能量为释放的能量E 对应的运动质量增加。对应的运动质量增加。 因此质量亏损不能简单地认为质量减少，质量亏损的本质因此质量亏损不能简单地认为质量减少，质量亏损的本质是静止质量的亏损转化为运动质量，是质量守恒在核反应中的是静止质量的亏损转化为运动质量，是质量守恒在核反应中的客观体现。客观体现。讨讨 论
16、论 与与 交交 流流 判断下面说法是否正确，并说明理由。判断下面说法是否正确，并说明理由。质量亏损表明：质量亏损表明：原子核内的确存在着结合能原子核内的确存在着结合能 中等大小的核的比结合能最大中等大小的核的比结合能最大中等大小的核的比结合能最大中等大小的核的比结合能最大( (平均每个核子的质量亏平均每个核子的质量亏平均每个核子的质量亏平均每个核子的质量亏损最大损最大损最大损最大) )，这些核最稳定，这些核最稳定，这些核最稳定，这些核最稳定核子平均质量FDCEFeBAZO平均结合能ZOACFEDBFe1. 核核子子结结合合成成原原子子核核，新新核核质质量量小小于于核核子子的的质质量量(质质量量
17、亏亏损损)，同同时时以以 光光子子形形式式释释放放核核能能；原原子子核核分分解解为为核核子子时时，需需要要吸吸收收一一定定能量，核子的总质量大于原原子核的质量。能量，核子的总质量大于原原子核的质量。2. 核核反反应应过过程程中中，质质量量亏亏损损时时，核核子子个个数数不不亏亏损损(即即质质量量数数守守恒恒)，可理解为组成原子核后，核内每个核子仿佛，可理解为组成原子核后，核内每个核子仿佛“瘦了瘦了”一些。一些。3. 质质量量亏亏损损并并非非质质量量消消失失，而而是是减减少少的的质质量量 m 以以能能量量形形式式辐辐射射(动质量动质量)，因此质量守恒定律不被破坏。，因此质量守恒定律不被破坏。有关问
18、题的理解和注意事项有关问题的理解和注意事项4. 国际单位：国际单位： m 用用“kg”，c 用用“m/s”， E 用用“J”常用单位常用单位: m 用用“u”(原子质量单位原子质量单位)1 u = 1.66056610-27 kg 1 eV = 1.602210-19 J1 u = 931 MeV(表示表示 1 u 的质量变化相当于的质量变化相当于 931 MeV的能量改变的能量改变)5. 核核反反应应中中释释放放或或吸吸收收的的能能量量比比化化学学反反应应中中释释放放或或吸吸收收的的能能量量大好几个数量级。大好几个数量级。有关问题的理解和注意事项有关问题的理解和注意事项课堂测试A+A+证明：
19、证明： 碳原子的摩尔质量为碳原子的摩尔质量为 M = 12 g/mol 所以一个碳原子质量为所以一个碳原子质量为 m = =1.99310-26 kg 所以所以 1 u = = 1.660610-27kg E = mc2 = 1.492410-10 J = 931 MeV碳原子质量的碳原子质量的 叫做原子质量单位，用叫做原子质量单位，用 u 表示。试证明表示。试证明 1 u 相当于相当于 931 MeV。课堂总结1. 核核子子之之间间的的强强相相互互作作用用力力叫叫核核力力。主主要要特特点点是是：短短程程力力，强相互作用（强力）。强相互作用（强力）。2. 当当原原子子结结合合成成原原子子核核时时要要放放出出一一定定的的能能量量，原原子子核核分分解解成成核核子子时时要要释释放放出出同同样样的的能能量量，这这个个能能量量叫叫做做原原子子核核的的结结合能。合能。3. 结结合合能能与与核核子子数数之之比比称称为为平平均均结结合合能能，平平均均结结合合能能越越大大，表示原子核结合的越牢固，原子核越稳定。表示原子核结合的越牢固，原子核越稳定。4. 求解原子核的结合能的公式：求解原子核的结合能的公式：E = mc2。
