第五节核力与结合能

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第19章 原子核,第五节 核力与结合能,回顾：原子核的组成,原子核是由质子和中子,组成,的，质子和中子统称为,核子,第五节 核力与结合能,提出问题：,质子间存在着巨大的库仑斥力，那为什么质子没有被排斥开，反而还紧紧的结合在一起呢？,猜想：,万有引力？,一 核力及其性质,质子相互间距,r,的数量级为,10,-15,m,；质子质量,m,的数量级为,10,-27,kg,，质子电量,e,的数量级为,10,-19,C,；万有引力常量,G,的数量级为,10,-11,，,静电力常量,k,的数量级为,10,9,。,估算两质子间,库仑斥力,与,万有引力,之比？,解：,分析论证,结论：,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。,再猜想：,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,核力,1,、核子之间的强相互作用力叫,_,。,2,、其主要特点,_,_,_.,阅读教材，回答下列问题：,1,、核力,：,核子之间存在的强相互作用力。,2,、核力的性质：,（,1,）核力是,强相互作用,（强力）,，在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。,（,2,）核力是,短程力,，作用范围在,1.510,-15,m,之内。核力在大于,0.810,-15,m,时表现为吸引力，且随距离增大而减小，超过,1.510,-15,m,，核力急剧下降几乎消失；而在距离小于,0.810,-15,m,时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起。,（,3,）核力具有,饱和性,，每个核子只跟邻近的核子发生核力作用。,一 核力及其性质,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。,四种基本相互作用,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,10,18,m,，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,稳定的,轻核,（原子序数小于,20,）的,质子数和中子数有何特点,？,稳定的,重核,（原子序数大于,20,）的,质子数和中子数有何特点,？你能分析其中的,原因,吗？,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。,若不断,增大,原子核的,中子数,，能不断,增大原子核吗,？为什么？,二、原子核中质子和中子的比例,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。,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？,三、结合能,微观模型：,原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的,结合能,。,三、,结合能,结合能：,将原子核拆分成,单个核子需要,吸收的能量,将单个核子,结合成原子核,所要放出,的能量,将一个质子和中子结合在一起，会产生什么现象？若要把它们分开，需要什么条件？,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、照射光子等途径让它得到,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,-0.85,n,2,3,4,1,E,（,eV,）,-3.40,-1.51,0,-13.60,m,r,v,如何理解结合能？,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。,结合能的大小与什么因素有关？,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。,三 结合能,如何才能反映原子核的稳定程度？,U-235,Li-6,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？,三 结合能,1,）概念：,原子核的结合能与核子数之比,称做比结合能，,也叫,平均结合能,。,2,）理解：,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核子时，外界提供给每个核子的平均能量。,比结合能,结合能,核子数,=,3,）意义：,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。,如何才能反映原子核的稳定程度？,比结合能：,(1),物体具有的能量跟它的质量存在着简单正比关系,.,对质能方程,E=mc,2,的理解：,质能方程,E=mc,2,（,2,）任何质量为,m,的物体都具有大小相当于,mc,2,的能量。,（,3,）物体的质量发生变化，相对应的能量也会变化。,提出问题：,如何求解原子核的结合能？,提出问题：,如何求解原子核的结合能？,反应前质量,/kg,反应后质量,/kg,m,n,1.674910,27,m,氘,3.343610,27,m,p,1.672610,27,总质量,总质量,3.343610,27,3.3475 10,27,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,质量亏损。,如何应用质能方程求解,原子核的结合能？,思考,四、质能方程,E=mc,2,反应前质量,/kg,反应后质量,/kg,m,n,1.674910,27,m,D,3.343610,27,m,p,1.672610,27,总质量,总质量,3.343610,27,3.3475 10,27,m=(,m,n,+m,p,-m,D,)=0.0039,10,27,kg,四、质能方程,E=mc,2,方法：,计算结合能时，先计算质量亏损,m,，再带入质能方程求出结合能,计算结合能时，先计算质量亏损,m,，在带入质能方程求出结合能,方法：,推广,推广,计算任意核反应中释放的核能，先计算质量亏损,m,，再带入质能方程求出核能。,核能,质量亏损,四、质能方程,E=mc,2,【,讨论与交流,】,1,、质量和能量是两个完全不同的概念，它们表征的对象不同，相互之间不能转化。,下面说法是否正确。并说明理由。,由质能方程,E=mc,2,，可推得,E=mc,2,这说明质量就是能量，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。,四、质能方程,E=mc,2,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,）。,猜想获得核能的途径？,课堂小结,一、核力,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,四、质量亏损,例,1,、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,931.5MeV,。,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=1.993,10,-26,kg,所以,1u=m/12=M/12NA=1.6606,10,-27,kg,代入公式,E=mc,2,得：,E=1.4924,10,-10,J=931.5MeV,得证,四、质量亏损,反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量和,反应前后质量数不变，因而质量不变,核子结合成核时，一定释放核能,光子具有的能量为,例,2.,中子和质子结合成氘核，同时释放,光子，核反应方程是,下列说法正确的是（,）,为核反应中的质量亏损,ACD,四、质量亏损,