第五节核力与结合能

回顾：原子核的组成回顾：原子核的组成 原子核是由质子和中子原子核是由质子和中子组成组成的，质子和中子统的，质子和中子统称为称为核子核子第五节第五节 核力与结合能核力与结合能提出问题：提出问题：质子间存在着巨质子间存在着巨大的库仑斥力，那为什么质大的库仑斥力，那为什么质子没有被排斥开，反而还紧子没有被排斥开，反而还紧紧的结合在一起呢？紧的结合在一起呢？猜想：猜想：万有引力？万有引力？一一 核力及其性质核力及其性质质子相互间距质子相互间距r的数量级为的数量级为10-15m；质子质量；质子质量m的数量级的数量级为为10-27kg，质子电量，质子电量e的数量级为的数量级为10-19C；万有引力常量；万有引力常量G的数量级为的数量级为10-11，静电力常量静电力常量k的数量级为的数量级为109。估算两估算两质子间质子间库仑斥力库仑斥力与与万有引力万有引力之比？之比？解：解：结论：结论：原子核中的质子要靠自身的万有引力来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斥力是不可能的。抗衡相互间的库仑斥力是不可能的。再猜想：再猜想：在核子之间一定存在着第三种力，使核在核子之间一定存在着第三种力，使核子能紧密的结合在一起子能紧密的结合在一起核力核力1、核子之间的强相互作用力叫、核子之间的强相互作用力叫_。2、其主要特点、其主要特点_,_,_.阅读教材，回答下列问题：阅读教材，回答下列问题：1、核力、核力：核子之间存在的强相互作用力。核子之间存在的强相互作用力。2、核力的性质：、核力的性质：（1）核力是）核力是强相互作用强相互作用（强力）（强力），在原子核尺度内，核，在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。力比库仑力大得多。（2）核力是）核力是短程力短程力，作用范围在，作用范围在1.510-15m之内。核力在之内。核力在大于大于0.810-15m时表现为吸引力，且随距离增大而减小，时表现为吸引力，且随距离增大而减小，超过超过1.510-15m，核力急剧下降几乎消失；而在距离小于，核力急剧下降几乎消失；而在距离小于0.810-15m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起。起。（3）核力具有）核力具有饱和性饱和性，每个核子只跟邻近的核子发生核，每个核子只跟邻近的核子发生核力作用。力作用。一一 核力及其性质核力及其性质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。四四种种基基本本相相互互作作用用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，使分在原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分子结合成液体与固体。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”，即它们可以作用到无，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小限远的距离，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衰变的原因，的原因，即引起即引起中子质子中子质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，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。物理学家一直梦想将自然界的四种相互作用纳入某种统一物理学家一直梦想将自然界的四种相互作用纳入某种统一的理论中，爱因斯坦为此做了大半生的努力，但没有成功。的理论中，爱因斯坦为此做了大半生的努力，但没有成功。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宏观模型：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。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。要将原子核拆散成单个核子，也一定需要的能量。要将原子核拆散成单个核子，也一定需要的能量。根据功能关系，理由是什么？根据功能关系，理由是什么？三、结合能三、结合能微观模型：微观模型：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的开，也需要能量，这就是原子核的结合能结合能。三、三、结合能结合能结合能：结合能：将原子核拆分成将原子核拆分成单个核子需要单个核子需要吸收的能量吸收的能量将单个核子将单个核子结合成原子核结合成原子核所要放出所要放出的能量的能量类比分析：类比分析：要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子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、照射光子中把电子剥离，需要通过碰撞、照射光子等途径让它得到等途径让它得到13.6eV 13.6eV 的能量。这个能量的能量。这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能，不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，而过通常把它叫做氢原子的电离能，而结合结合能一词只用在原子核中能一词只用在原子核中 三、三、结合能结合能 -0.85n2341E（eV）-3.40 -1.510-13.60m rv三三 结合能结合能如何才能反映原子核的稳定程度？如何才能反映原子核的稳定程度？U-235Li-6三三 结合能结合能1）概念：）概念：原子核的结合能与核子数之比原子核的结合能与核子数之比称做比结称做比结合能，合能，也叫也叫平均结合能平均结合能。2）理解：）理解：核子结合成原子核时，平均每个核子核子结合成原子核时，平均每个核子所释放的结合能，它也等于把原子核拆散成每个所释放的结合能，它也等于把原子核拆散成每个核子时，外界提供给每个核子的平均能量。核子时，外界提供给每个核子的平均能量。比结合能比结合能结合能结合能核子数核子数=3）意义：）意义：它反映了一个原子核稳定程度。比结它反映了一个原子核稳定程度。比结合能越大，原子核越稳定。合能越大，原子核越稳定。如何才能反映原子核的稳定程度？如何才能反映原子核的稳定程度？比结合能：比结合能：(1)物体具有的能量跟它的质量存在着简单正比物体具有的能量跟它的质量存在着简单正比关系关系.对质能方程对质能方程E=mc2的理解：的理解：质能方程质能方程 E=mcE=mc2 2（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。的能量。（3）物体的质量发生变化，相对应的能量也会变）物体的质量发生变化，相对应的能量也会变化。化。如何求解原子核的结合能？如何求解原子核的结合能？如何求解原子核的结合能？如何求解原子核的结合能？反应前质量反应前质量/kg反应后质量反应后质量/kgmn1.67491027m氘氘3.34361027mp1.67261027总质量总质量总质量总质量3.343610273.3475 1027在物理上，原子核的质量总是小于组成它的核子的质量在物理上，原子核的质量总是小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫做之和，这个现象叫做质量亏损。质量亏损。如何应用质能方程求解如何应用质能方程求解原子核的结合能？原子核的结合能？四、质能方程四、质能方程 E=mc2反应前质量反应前质量/kg反应后质量反应后质量/kgmn1.67491027mD3.34361027mp1.67261027总质量总质量总质量总质量3.343610273.3475 1027m=(m=(m mn n+m+mp p-m-mD D)=0.0039)=0.0039 1027kg四、质能方程四、质能方程 E=mc2计算结合能时，先计算计算结合能时，先计算质量亏损质量亏损m m，再带入，再带入质能方程求出结合能质能方程求出结合能计算结合能时，先计算计算结合能时，先计算质量亏损质量亏损m m，在带入，在带入质能方程求出结合能质能方程求出结合能计算任意核反应中释放计算任意核反应中释放的核能，先计算质量亏的核能，先计算质量亏损损m m，再带入质能方，再带入质能方程求出核能。程求出核能。核能核能质量亏损质量亏损四、质能方程四、质能方程 E=mc2【讨论与交流讨论与交流】1、质量和能量是两个完全不同的概念，它们表征的对象、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。不同，相互之间不能转化。下面说法是否正确。并说明理由。下面说法是否正确。并说明理由。由质能方程由质能方程E=mc2，可推得，可推得E=mc2,这说明质量就是能这说明质量就是能量，质量可以转化为能量。量，质量可以转化为能量。2、质能方程揭示了质量与能量的不可分割性，方程建立、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，质量亏损对应能量释放。了这两个属性在数值上的关系，质量亏损对应能量释放。但决不是这两个量相互转化。但决不是这两个量相互转化。四、质能方程四、质能方程 E=mc2猜想获得核能的途径？猜想获得核能的途径？课堂小结课堂小结一、核力一、核力二、原子核中质子数与中子的比例关系二、原子核中质子数与中子的比例关系三、结合能和比结合能三、结合能和比结合能四、质量亏损四、质量亏损四、质量亏损四、质量亏损四、质量亏损四、质量亏损