高中物理 19.5 核力与结合能课件 新人教版选修3-5.ppt

5核力与结合能 1 了解四种基本相互作用 知道核力的性质 2 认识原子核的结合能及质量亏损 并能应用质能方程进行计算 3 能简单解释重核和轻核内中子数 质子数具有不同比例的原因 先让学生完成预读课文 将主要知识点大概了解一遍 然后提出问题由学生自主讨论 达到会根据质能方程和质量亏损的概念计算核反应中释放的核能 培养学生的理解能力 推理能力 掌握结合能的概念 爱因斯坦的质能方程 质量与能量的关系 原子核是由质子和中子组成的 质子和中子统称为核子 提出问题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 猜想万有引力 分析论证 质子相互距离r的数量级为10 15m 质子质量m的数量级为10 27kg 质子电量e的数量级为10 19C 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109 估算库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力是不可能的 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 一 核力与四种基本相互作用 2 核力是一种短程力 作用范围仅限于1 5 10 15m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得多 除核力外原子核内还存在弱相互作用 弱力 弱力是引起中子 质子转变的原因 弱相互作用也是短程力 力程比强力更短 为10 18m 作用强度则比电磁力小 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 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 长程力 短程力 自然界中较轻的原子核 质子数与中子数大致相等 但对于较重的原子核 中子数大于质子数 越重的元素 两者相差越多 质子数 中子数 理想的质子数和中子数相等的稳定原子核 实际存在的原子核 二 原子核中质子与中子的比例 原因分析 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 中子数 理想的质子数和中子数相等的稳定原子核 实际存在的原子核 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 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瓦解了 只有200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 则正在瓦解之中 由于核子间存在着强大的核力 所以核子结合成原子核或原子核分解为核子时 都伴随着巨大的能量变化 可见 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 三 结合能 例如 结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量 而是为把核子分开而需要的能量 比结合能 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 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 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 这两者的差额叫做质量亏损 式中c是真空中的光速 m是物体的质量 E是物体的能量 四 质量亏损 对质能方程的理解 1 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m的物体都具有大小相当于mc2的能量 任何一部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 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 大小为 E m c2 方法 计算结合能时 先计算质量亏损 m 再代入质能方程求出结合能 推广 计算任意核反应中释放的核能时 先计算质量亏损 m 再代入质能方程求出核能 已知中子的质量mn 1 6749 10 27Kg 质子的质量mp 1 6726 10 27Kg 氘核的质量mD 3 3436 10 27Kg 求氘核的结合能 m 0 0039 10 27Kg 质量亏损 释放能量 比结合能为 判断下面说法是否正确 并说明理由 1 由质能方程E mc2 可推得 E mc2 这说明质量就是能量 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 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 方程建立了这两个属性在数值上的关系 决不是这两个量相互转化 2 关系式 E mc2中的质量亏损表明在核反应时质量不守恒 质量包括静止质量和运动质量两部分组成 E mc2中 m可以理解为静止质量的亏损 也可以理解为释放的能量 E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 判断下面说法是否正确 并说明理由 质量亏损表明 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 平均每个核子的质量亏损最大 这些核最稳定 1 核子结合成原子核 新核质量小于核子的质量 质量亏损 同时以 光子形式释放核能 原子核分解为核子时 需要吸收一定能量 核子的总质量大于原原子核的质量 2 核反应过程中 质量亏损时 核子个数不亏损 即质量数守恒 可理解为组成原子核后 核内每个核子仿佛 瘦了 一些 3 质量亏损并非质量消失 而是减少的质量 m以能量形式辐射 动质量 因此质量守恒定律不被破坏 有关问题的理解和注意事项 4 国际单位 m用 kg c用 m s E用 J 常用单位 m用 u 原子质量单位 1u 1 660566 10 27kg1eV 1 6022 10 19J1u 931MeV 表示1u的质量变化相当于931MeV的能量改变 5 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 有关问题的理解和注意事项 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 1 993 10 26kg所以1u 1 6606 10 27kgE mc2 1 4924 10 10J 931MeV 碳原子质量的叫做原子质量单位 用u表示 试证明1u相当于931MeV 1 核子之间的强相互作用力叫核力 主要特点是 短程力 强相互作用 强力 2 当原子结合成原子核时要放出一定的能量 原子核分解成核子时要释放出同样的能量 这个能量叫做原子核的结合能 3 结合能与核子数之比称为平均结合能 平均结合能越大 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 E mc2