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1、第第1节节 核力与核能核力与核能原子核的组成中子中子中子中子 质子质子质子质子 统称统称统称统称核子核子核子核子 U He H 1142235 92X AZ（核）电荷数（核）电荷数（核）电荷数（核）电荷数质量数质量数质量数质量数 一一.原原 子子 核核 的的 组组 成成 1015m 核力及其性质核力及其性质 元素符号元素符号 原原子子核核是是由由质质子子和和中中子子组组成成，质质子子带带正正电电，中中子子不不带带电电。原原子子核核的的直直径径约约为为10-15m , 只只相相当当原原子子直直径径的的十十万万分分之之一一。在在这这么么小小的的空空间间里里带带正正电电的的质质子子与与质质子子间间的
2、的库库仑仑斥斥力力是是很很大大的的，那那带带正正电的质子为什么能挤在一起而不飞散？电的质子为什么能挤在一起而不飞散？核力核力mpmp库仑力库仑力库仑力库仑力万有万有引力引力万有万有引力引力核力核力 核子靠什么力结合成原子核？核子靠什么力结合成原子核？是万有引力作用吗？万万有有引引力力太太小小，只只有有库库仑仑力力的的10-36。质质子子要要靠靠万万有有引引力力来来抗抗衡衡相相互互间间的的库库仑仑力力是是不不可可能能的的。即即万万有有引引力力不不可可能能使使核核子紧紧约束在一起。子紧紧约束在一起。理论验证：质子相互间距数量级是理论验证：质子相互间距数量级是10-15m，质子质量，质子质量数量级数
3、量级10-27kg，质子带电量数量级，质子带电量数量级10-19C，万有引力，万有引力常量数量级常量数量级10-11，静电力常量数量级，静电力常量数量级109。可算出万。可算出万有引力数量级有引力数量级10-35N，库伦斥力数量级，库伦斥力数量级101N。猜想：除了万有引力和静电力之外还存在一种力，这猜想：除了万有引力和静电力之外还存在一种力，这种力使核子紧紧拉在一起，我们物理学上把它叫核力。种力使核子紧紧拉在一起，我们物理学上把它叫核力。1、核力：能够把核中的各种核子联系在一、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起的强大的力叫做核力一、核力：一、核力：2、特点：、特点： （
4、2）. 核力是短程力。核力是短程力。作用范围在作用范围在2fm（210-15m）左右。）左右。（1）. 核力具有电荷无关性。核力具有电荷无关性。无论是质子间、中子间或质子和中子间均存在核力。无论是质子间、中子间或质子和中子间均存在核力。力的作用范围叫力程。力的作用范围叫力程。短短程程力力：力力的的作作用用范范围围很很小小，影影响响力力随随距距离离的的增增大大而而急急速速减减小小。长长程程力力：力力的的作作用用范范围围大大，影影响响力力随随距距离离的的增增大大而而缓缓慢慢减减小小，如库仑力、万有引力。如库仑力、万有引力。距离距离大于大于0.810-15m时为引力时为引力, 随距离的增大而减小；随
5、距离的增大而减小；距离超过距离超过1.510-15m时核力急剧下降几乎消失；时核力急剧下降几乎消失；距离小于距离小于0.810-15m时为斥力，因此核子不会融合在一起。时为斥力，因此核子不会融合在一起。（3）核核力力是是强强相相互互作作用用（强强力力）的的一一种种表表现现。在在作作用用范围内，核力比库仑力大得多。范围内，核力比库仑力大得多。核子只对相邻的核子产生较强的引力，而不是与核内核子只对相邻的核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。所有核子发生作用。（4）核力具有饱和性。）核力具有饱和性。自然界中的四种基本相互作用力：自然界中的四种基本相互作用力：万有引力万有引力磁力磁力强相互
6、作用力强相互作用力弱相互作用力。弱相互作用力。 由于核力的作用范围是有限的，如果继由于核力的作用范围是有限的，如果继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子也无济于事，这样的核必然是不稳定的。子也无济于事，这样的核必然是不稳定的。 在宇宙演化的进程中，各种粒子有机会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进行各种组合，但那些不稳定的组合很快就瓦解了，只有瓦解了，只有200多种稳定的原子核长久地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
7、，留了下来。现在观察到的天然放射性元素，则正在瓦解之中。则正在瓦解之中。 由于核子间存在着强大的核力，所以核子由于核子间存在着强大的核力，所以核子结合结合成原子核成原子核或原子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 反之，核子结合成原子核时，也会放出同样多的能量。这个反之，核子结合成原子核时，也会放出同样多的能量。这个能量叫做能量叫做原子核的结合能。原子核的结合能。因此氘核的结合能是因此氘核的结合能是2.2Mev。结合能可以以光子的形式放出来。结合能可以以光子的形式放出来。三、结合能三、结合能分解：分解：结合：结合：为光子，其能量为光子，其能量2.2
8、MeV，反应才能发生，反应才能发生由于核子间存在强大的核力，要把原子核拆散成核子，由于核子间存在强大的核力，要把原子核拆散成核子，要克服核力做功，必须吸收一定的能量。要克服核力做功，必须吸收一定的能量。1、结合能、结合能结合能结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把原子核分开而能量，而是为把原子核分开而需要需要的能量或者的能量或者结合成原子核需要结合成原子核需要放出放出的能量。的能量。2、平均结合能（比结合能）、平均结合能（比结合能）（1）定义：平均每个核子的结合能。）定义：平均每个核子的结合能。用原子核的结合能除以质量数（核子数）就得到平均结合
9、能。用原子核的结合能除以质量数（核子数）就得到平均结合能。说明：说明： 平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。牢固，原子核越稳定。平均结合能是核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量，也是平均结合能是核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量，也是把原子核分解成自由核子时每个核子平均吸收的能量。把原子核分解成自由核子时每个核子平均吸收的能量。（2）平均结合能与原子核的稳定性）平均结合能与原子核的稳定性从图象上看，哪一种原子的比结合能更大？从图象上看，哪一种原子的比结合能更大？核子数较小的轻核与核子数较大的重核，平核子数较小的轻核与核子
10、数较大的重核，平均结合能都比较小，中等核子数的原子核平均均结合能都比较小，中等核子数的原子核平均结合能较大，表示这些原子核越稳定。结合能较大，表示这些原子核越稳定。当平均结合能较小的原子核转化成平均结合能当平均结合能较小的原子核转化成平均结合能较大的原子核时就可释放核能。较大的原子核时就可释放核能。如一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一如一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。四、质量亏损四、质量亏损中子的质量中子的质量 =1.
11、674910=1.6749102727Kg Kg 质子的质量质子的质量 = = 1.67261027Kg 中子和质子的质量和中子和质子的质量和 = = 3.34751027Kg 氘核的质量氘核的质量 = = 3.34361027Kg 质量差质量差 = = 0.00391027Kg 问题分析：质子与中子结合成氘核问题分析：质子与中子结合成氘核前后总质量的差异前后总质量的差异核子结合成原子核时，质量减少。核子结合成原子核时，质量减少。原子分解为核子原子分解为核子时，质量增加。时，质量增加。可见，核反应前后，总质量并不相等！可见，核反应前后，总质量并不相等！1、质量亏损：、质量亏损：原子核的质量小于
12、组成它的核子的原子核的质量小于组成它的核子的质量之和质量之和对比爱因斯坦质能方程对比爱因斯坦质能方程 E=mc2核子核子在在结合成原子核结合成原子核时出现的时出现的质量亏损质量亏损m m，与它们与它们在互相结合过程中在互相结合过程中放出的能量是否存在某种对应关系放出的能量是否存在某种对应关系呢？呢？质量亏损的思考：质量亏损的思考：E mc2？结论：以上等式确实成立，表明结论：以上等式确实成立，表明质量亏质量亏损与能量变化有着密切的联系损与能量变化有着密切的联系说明：说明：E=E=m mc c2 2 的单位问的单位问题题国际单位国际单位: m用用“kg” C用用“m/s” E E用用“J”J”常
13、用单位常用单位: m用用“u(原子质量单位原子质量单位)” 1u=1.66056610-27kg 1u=931.5MeV 1u=931.5MeV ( (表示表示1u 1u 的质量变化的质量变化相当于相当于931.5MeV931.5MeV的能量改变的能量改变) )3、注意事项：、注意事项：核反应过程中核反应过程中: 核子结合成原子核时核子结合成原子核时,新核质量小于核子的质新核质量小于核子的质量量(质量亏损质量亏损),同时以同时以 光子形式光子形式释放核能释放核能; 原子核原子核分解为核子时分解为核子时,需要吸收一定能量需要吸收一定能量,核子核子的总质量大于原原子核的质量的总质量大于原原子核的质
14、量.核反应过程中核反应过程中,质量亏损时质量亏损时,核子个数不亏损核子个数不亏损(即即质量质量数守恒数守恒),可理解为组成原子核后可理解为组成原子核后,核内每个核子仿佛核内每个核子仿佛“瘦了瘦了”一些一些.质量亏损并非质量消失质量亏损并非质量消失,而是而是减少的质量减少的质量 m以能量以能量形式辐射形式辐射(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。当然，当然，2.19MeV2.19MeV的能量的绝对数量并不算大，但这的能量的绝对数量并不算大，但这只是组成只是组成1 1个氘核所放出的能量如果组成的是个氘核所放出的能量如果组成的是6.026.0210102323个氘核时，放出的能量就十分可观了个氘核时，放出的能量就十分可观了与之相对照的是，使与之相对照的是，使1 1摩的碳完全燃烧放出的能量摩的碳完全燃烧放出的能量为为393.5393.510103 3J J折合为每个碳原子在完全燃烧时折合为每个碳原子在完全燃烧时放出的能量只不过放出的能量只不过4eV4eV若跟上述核反应中每个原若跟上述核反应中每个原子可能放出的能量相比，两者相差数十万倍子可能放出的能量相比，两者相差数十万倍核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释放或吸核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释放或吸收的能量大好几个数量级收的能量大好几个数量级.
