ddd19.5核力与结合能(可上课直接用)

19.5 核力与结合能核力与结合能一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用 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地方有待完善？一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用2.核力是核力是短程力短程力。约在。约在 10-15m量级时起作用，距离大于量级时起作用，距离大于0.810-15m时为时为引力引力,距离为距离为1010-15m时核力几乎消失，距时核力几乎消失，距离小于离小于0.810-15m时为时为斥力斥力，因此核子不会融合在一起。，因此核子不会融合在一起。1.核力是四种相互作用中的核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）强相互作用（强力）的一种表的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。3.核力具有核力具有饱和性饱和性。每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，。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。这种性质称之为核力的饱和性。特特 点点4.核力具有核力具有电荷无关性电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与核。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。（见书本子电荷无关。（见书本P79图）图）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一、核力与四种基本相互作用 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。1.1.万有引力：万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领风骚独领风骚”。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。宙的现状和未来。四四种种相相互互作作用用3.3.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。2.2.电磁力：电磁力：在原子核外，电磁力使电子结合成分子，使在原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分子结合成液体与固体。分子结合成液体与固体。电磁力和万有引力都是电磁力和万有引力都是“长程力长程力”，即它们可以作用到，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小无限远的距离，当然距离越远，力就越小4.4.弱相互作用：弱相互作用：弱相互作用是引起原子核弱相互作用是引起原子核衰变的原因，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，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，为其力程比强力更短，为10101818m m，作用强度则比电磁力小。，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？统一起来呢？一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用典例探究典例探究例例1.1.从以下几个方面比较核反应与化学反应的相同和从以下几个方面比较核反应与化学反应的相同和不同之处不同之处（1 1）它们分别涉及四种基本相互作用的哪一种？）它们分别涉及四种基本相互作用的哪一种？（2 2）每种反应分别改变了或重新安排了什么？）每种反应分别改变了或重新安排了什么？二、原子核中质子和中子的比例二、原子核中质子和中子的比例 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。二、原子核中质子和中子的比例二、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。三、结合能三、结合能宏观模型：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。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 三、结合能三、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。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、结合能三、结合能四、质量亏损四、质量亏损 爱因斯坦的质能方程：Emc2，能量减小E=mc2四、质量亏损四、质量亏损质量减小量: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、质量亏损四、质量亏损 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。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。四、质量亏损四、质量亏损 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。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）。OFe平均结合能平均结合能DEFABCzOZABCDEFFe核子平均质量核子平均质量OFe平均结合能平均结合能DEFABCz四、质量亏损四、质量亏损 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聚变裂变典例探究典例探究四、质量亏损四、质量亏损A.反应后氘核的质量一定小于反应前质子和反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量和中子的质量和B.反应前后质量数不变，因而质量不变反应前后质量数不变，因而质量不变C.核子结合成核时，一定释放核能核子结合成核时，一定释放核能D.光子具有的能量为光子具有的能量为2mcm例例2（B级）级）.中子和质子结合成氘核，同时释放中子和质子结合成氘核，同时释放光子，核反应方程是光子，核反应方程是 ,下列说下列说法正确的是（法正确的是（）为核反应中的质量亏损为核反应中的质量亏损102111HH+n ACD 典例探究典例探究四、质量亏损四、质量亏损例例3.3.碳原子质量的碳原子质量的1/121/12叫做原子质量单位，用叫做原子质量单位，用u u表示。表示。试证明试证明1u1u相当于相当于931MeV931MeV。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9 94 4BeBe2.2.氦核是由氦核是由2 2个质子和个质子和2 2个中子组成的。个中子组成的。1 1个质子的质量个质子的质量mmp p=1.007277u=1.007277u，1 1个中子个中子的质量的质量mmn n=1.008665u=1.008665u，氦核的质量为，氦核的质量为4.001509u4.001509u。这里。这里u u表示原子质量单位，表示原子质量单位，1u=1.6605661u=1.6605661010-27-27kgkg，由上述数值，由上述数值，请计算核子结合成氦原子核时释放的能量请计算核子结合成氦原子核时释放的能量是多少是多少MeVMeV？注：若注：若m的单位取的单位取“原子质量单位原子质量单位”。符号为符号为“u”，1u=1.6606 1027 kg 1u相当于相当于931.5 Mev的能量的能量写出核反应方程写出核反应方程计算质量亏损计算质量亏损m根据质能方程根据质能方程 E=mC2计算核能。计算核能。注意质量单位取注意质量单位取kg 和和u的不同，若以原子质量（的不同，若以原子质量（u）为单位，可直接用为单位，可直接用E=m(u)931.5MeV.核能的计算步骤核能的计算步骤典例分析一 对四种基本作用的理解例1:科学研究表明,自然界存在四种基本相互作用,我们知道分子之间也存在相互作用的引力和斥力,那么分子力实质上属于()A.引力相互作用B.电磁相互作用C.强相互作用和弱相互作用的共同作用D.四种基本相互作用的共同作用解析:分子作用范围约在10-10m数量级上,强相互作用和弱相互作用都是短程作用力,作用范围在10-15 m和10-18 m之内,在这个距离内不存在分子力,在这个范围内引力作用和电磁作用都存在,但由于电磁力远大于万有引力,引力作用可以忽略不计,因此分子力本质上属于电磁相互作用.答案:B二 对核力 原子核内核子比例的理解例2:对核子结合成原子核的下列说法正确的是()A.原子核内的核子间均存在核力B.原子核内的质子间均存在核力和库仑力C.当几个核子靠近到核力作用的范围而结合为原子核时,其间“势能”一定减小D.对质子数较多的原子核,其中的中子起到增加核力 维系原子稳定的作用解析:由于核力是近程力,只会发生在相邻的核子之间,由此可知A B选项错误;当几个核子靠近到核力作用范围内,距离大于0.810-15 m,核力表现为引力,在此过程中核力必做正功,其间势能必定减小,形成原子核后一般不小于0.810-15 m,故C正确;对质子数较多的原子核,由于只有相邻的核子之间才有核力,但各个质子间均有很强的库仑斥力.随着质子数的增加其库仑力增加,对于稳定的原子核,必须存在较多的中子才能维系二者的平衡,故D选项正确.答案:CD巩固练习1:关于原子核的组成,下列说法正确的是()A.核力可使一些中子组成原子核B.核力可使较多的质子组成原子核C.不存在只有质子的原子核D.质量较大的原子核内一定含有中子解析:由于原子核带正电,不存在只有中子的原子核,但核力也不能把较多的质子聚集在一起组成原子核,原因是核力为短程力.质子之间存在着“长程力”库仑力,故A B选项错误;自然界中存在只有质子的原子核,如11H,故C选项错误;较大质量的原子核内只有存在一些中子,才能消弱库仑力维系原子核的稳定,故D选项正确.答案:D三 对质量亏损和质能方程的理解例3:对于爱因斯坦提出的质能方程E=m5c2,下列说法正确的是()A.获得一定的能量,质量也相应的增加一定的值B.物体一定有质量,但不一定有能量,所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系C.根据E=m5c2,可知质量减少能量就会增加,在一定条件下质量转化为能量D.根据E=m5c2可以计算核反应中释放的核能解析:根据质能方程E=m5c2表明一定的质量和一定的能量是相联系的,当物体获得一定的能量,即能量增加某一定值时,它的质量也相应地增加一定值,这种关系在任何条件下都成立,故A选项正确,B选项错误;根据E=m5c2可以计算核反应中释放的能量,释放的能量并非由质量转化而来的,故C选项错误,D选项正确.答案:AD点评:核反应中的质量亏损,并不是这部分质量消失或质量转化为能量,物体的质量应包括静止质量和运动质量,质量亏损是静止质量的减少,减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量.另外,质量亏损也不是核子数的减小,核反应中核子数是不变的.巩固练习2:中子n,质子p,氘核D的质量分别为mn mp mD,现用能量为E的射线照射静止的氘核使之分解,反应方程为+Dp+n,若分解后的中子,质子的动能可视为相等,则中子的动能为()A.(mD-mn-mp)c2-EB.(mp+mn-mD)c2-EC.(mD-mn-mp)c2+ED.(mp+mn-mD)c2+E12121212解析:核反应过程中的质量亏损 m=mD-mp-mn核反应过程中释放的能量 E=mc2=(mD-mp-mn)c2质子和中子的总能量为E+E,中子的动能是总能的一半,则C选项正确.答案:C天体之间天体之间 衰变衰变原子结合原子结合核力核力举例举例一切物体一切物体 强子、轻子强子、轻子强子强子强子强子被作用被作用粒子粒子长程，长程，短程短程10-16长程，长程，短程短程10-1510-16作用力作用力程程/m引力子引力子中间中间玻色子玻色子光子光子胶子胶子作用传作用传递者递者10-3910-151/1731相对相对强度强度引力作用引力作用弱作用弱作用电磁作用电磁作用强作用强作用四种相互作用的比较四种相互作用的比较10-10特征特征时间时间10-2010-16