1、19.5 核力與結合能回顧：原子核的組成 在原子核那樣狹小的空間里，帶正電的質子為什么能夠擠在一起而不飛散？猜想：萬有引力？驗證： 間距r 數量級10-15m；質量m 數量級10-27kg；電量q 數量級10-19C；引力常量G數量級10-11；靜電力常量 k 數量級109 。結論：萬有引力只有庫侖力的10-35到10-36倍。核子不可能靠自身萬有引力抗衡庫侖斥力。猜想：存在第三種力核力，是核力把核子束縛在核內，形成穩定的原子核。一、核力與四種基本相互作用 這種作用力有哪些特點？人們對這種相互作用的認識還有哪些地方有待完善？核力：能夠把核中的各種核子聯系在一起的強大的力叫做核力。一、核力與四種

2、基本相互作用2. 核力是短程力。約在 10-15m量級時起作用，距離大于0.810-15m時為引力, 距離為1010-15m時核力幾乎消失，距離小于0.810-15m時為斥力，因此核子不會融合在一起。1. 核力是四種相互作用中的強相互作用（強力）的一種表現。在原子核尺度內，核力比庫侖力大得多。3. 核力具有飽和性。每個核子只跟相鄰的核子發生核力作用，這種性質稱之為核力的飽和性。 特 點4. 核力具有電荷無關性。對給定的相對運動狀態，核力與核子電荷無關。（見書本P79圖）小于0.810-15m時核力的變化規律還不清楚。一、核力與四種基本相互作用 弱相互作用是引起原子核發生衰變的原因,即引起中子質

3、子轉變的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強力更短，為10-8m，作用強度比電磁力弱。 人們對這種相互作用的認識還有哪些有待完善？ 第四種基本相互作用就是弱相互作用，它有何作用？有何特點？1.萬有引力：引力主要在宏觀和宇宙尺度上“獨領風騷”。是引力使行星繞恒星轉動，并且聯系著星系團，決定了宇宙的現狀和未來。四種相互作用3.強相互作用：在原子核內，強力將核子束縛在一起。2.電磁力：在原子核外，電磁力使電子結合成分子，使分子結合成液體與固體。電磁力和萬有引力都是“長程力”，即它們可以作用到無限遠的距離，當然距離越遠，力就越小4.弱相互作用：弱相互作用是引起原子核衰變的原因，即引起中子質子轉變的原

4、因。弱相互作用也是短程力，其力程比強力更短，為1018m，作用強度則比電磁力小。 物理學有一條理論：叫做簡單才是美。能否將這四條理論統一起來呢？一、核力與四種基本相互作用一、核力與四種基本相互作用典例探究例1.從以下幾個方面比較核反應與化學反應的相同和不同之處（1）它們分別涉及四種基本相互作用的哪一種？（2）每種反應分別改變了或重新安排了什么？二、原子核中質子和中子的比例穩定的輕核（原子序數小于20）的質子數和中子數有何特點？你能分析其中的原因嗎？ 輕核（原子序數小于20）的質子數和中子數大致相等；對輕核而言，核子數量相對較小，核子間距處于核力作用范圍之內，由于核力遠大于電磁力，即使質子和中子

5、成對出現，強大的核力也可以將核子緊緊地束縛在原子核的范圍之內，形成穩定的原子核。穩定的重核（原子序數大于20）的質子數和中子數有何特點？你能分析其中的原因嗎？二、原子核中質子和中子的比例 重核（原子序數大于20）的質子數小于中子數；對于重核而言，核子數量大，核子間距也大，由于核力的飽和性，核力會因為核子間距的變大而大幅度減小，甚至小于電磁力。如果質子和中子再成對出現，原子核不穩定；如果只增加中子，由于中子之間不存在庫侖力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系原子核的穩定，所以重核內中子數會明顯大于質子數。二、原子核中質子和中子的比例 不能；由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，如果我們我

6、們繼續增大原子核，一些核子間的距離會大到其間根本沒有核力的作用，這時即使再增加中子，形成的核也一定是不穩定的。若不斷增大原子核的中子數，能不斷增大原子核嗎？為什么？三、結合能將一個質子和中子結合在一起，會產生什么現象？若要把它們分開，需要什么條件？宏觀模型：相距很遠的兩個物體，由于萬有引力而相互接近，運動速度越來越大，引力勢能轉化為動能最后撞在一起，動能變成它們的內能散失掉了。兩個物體為了結合而付出了代價失去了一些能量，如果要把它們分開，還要重新賦予它們這份能量。 微觀模型：原子核是核子結合在一起構成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結合能。 類比分析：要使基態氫原子電離，也就是要從

7、氫原子中把電子剝離，需要通過碰撞、施加電場、賦予光子等某種途徑讓它得到13.6eV 的能量。這個能量實際上就是電子與氫原子核的結合能，不過通常把它叫做氫原子的電離能，而結合能一詞只用在原子核中 結合能是原子具有的能量嗎？如何理解結合能？三、結合能 當核子結合成原子核時要放出一定能量；原子核分解成核子時，要吸收同樣的能量。這個能量叫做原子核的結合能。 結合能并不是由于核子結合成原子核而具有的能量，而是為把核子分開而需要的能量。結合能的大小與什么因素有關？ 組成原子核的核子數，組成原子核的核子數越多，結合能越大。 結合能與核子數之比，稱做比結合能，也叫平均結合能。比結合能越大，表示原子核中核子結合

8、得越牢固，原子核越穩定。因為比結合能越大，將每個核子分開所需的能量越大。三、結合能什么是比結合能？為什么說比結合能越大，原子核中核子結合越牢固、原子越穩定？四、質量虧損物體的質量和能量有何關系？若一個物體質量減小了m，那么它的能量減小多少？ 愛因斯坦的質能方程：Emc2， 能量減小E=mc2已知中子的質量mn=1.674910-27kg，質子的質量為mp=1.672610-27kg，氘核的質量mD=3.343610-27kg。將一個質子和一個中子結合成一個氘核，質量減小了多少？能量減小了多少？氘核的結合能是多少？比結合能是多少？四、質量虧損已知中子的質量mn=1.674910-27kg，質子的

9、質量為mp=1.672610-27kg，氘核的質量mD=3.343610-27kg。將一個質子和一個中子結合成一個氘核，質量減小了多少？能量減小了多少？氘核的結合能是多少？比結合能是多少？質量減小量: m=( mp+ mn)- mD=0.003910-27kg；能量減小量: E=m c2=3.5110-13J=2.19106eV；結合能:E=m c2=2.19MeV；比結合能為:E/n=E/2=1.10MeV 。四、質量虧損將一個質子和一個中子結合成一個氘核，能量減小了，是否違反了能量守恒定律？為什么？ 沒有違反能量守恒定律；減小的這部分能量以光子釋放出去。將一個質子和一個中子結合成一個氘核，

10、質量減小了，是否違反了質量守恒定律？為什么？ 沒有違反質量守恒定律；減小的那部分質量等于光子的動質量。什么是質量虧損？質量虧損表明什么？四、質量虧損 原子核的質量小于組成它的核子的質量之和，這個現象稱為質量虧損。質量虧損表明，的確存在著原子核的結合能。如右圖，哪些原子核最穩定，為什么？ 中等大小的核最穩定，因為這些核的比結合能最大（平均每個核子的質量虧損最大）。平均結合能核子的平均結合能隨質量數的變化z核子平均質量平均結合能核子的平均結合能隨質量數的變化z四、質量虧損若要釋放結合能，我們可以怎么做？為什么？ 使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成中等質量的核聚變裂變典例探究四、質量

11、虧損反應后氘核的質量一定小于反應前質子和中子的質量和反應前后質量數不變，因而質量不變核子結合成核時，一定釋放核能光子具有的能量為例2（B級）.中子和質子結合成氘核，同時釋放光子，核反應方程是 ,下列說法正確的是（ ）為核反應中的質量虧損 ACD 典例探究四、質量虧損例3. 碳原子質量的1/12叫做原子質量單位，用u表示。試證明1u相當于931MeV。證明： 碳原子的摩爾質量為M=12g/mol，所以一個碳原子質量為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 得證1、核子

12、結合成原子核，新核質量小于核子的質量(質量虧損)，同時以光子形式釋放核能; 原子核分解為核子時，需要吸收一定能量,核子的總質量大于原原子核的質量.2、核反應過程中，質量虧損時，核子個數不虧損(即質量數守恒)，可理解為組成原子核后,核內每個核子仿佛“瘦了”一些.3、質量虧損并非質量消失，而是減少的質量m以能量形式輻射(動質量)，因此質量守恒定律不被破壞。有關問題的理解和注意事項4、國際單位：常用單位: m用“u”(原子質量單位)1u=1.66056610-27kg， c=2.9979108m/s，1eV=1.602210-19J E用“m c2”，1u=931MeV (表示1u 的質量變化相當于

13、931MeV的能量改變)5、核反應中釋放或吸收的能量比化學反應中釋放或吸收的能量大好幾個數量級.m用“kg”，c用“m/s”， E用“J”答案：57 MeV 1、1932年查德威克用粒子去轟擊鈹核、發現了中子，并產生一個新核已知鈹核 的質量為901219 u,粒子的質量為400260 u，新核的質量為1200000 u,中子的質量為1008665 u求：(1)寫出核反應方程；(2)計算放出的能量1 u166056610-27 kg 2.氦核是由2個質子和2個中子組成的。1個質子的質量mp=1.007277u，1個中子的質量mn=1.008665u，氦核的質量為4.001509u。這里u表示原子

14、質量單位，1u=1.66056610-27kg，由上述數值，請計算核子結合成氦原子核時釋放的能量是多少MeV？注：若m的單位取“原子質量單位”。 符號為“u”，1u=1.6606 1027 kg 1u相當于931.5 Mev的能量寫出核反應方程計算質量虧損m根據質能方程 E = mC2計算核能。 注意質量單位取kg 和u的不同，若以原子質量（u）為單位，可直接用E=m(u)931.5MeV.核能的計算步驟典例分析一對四種基本作用的理解例1:科學研究表明,自然界存在四種基本相互作用,我們知道分子之間也存在相互作用的引力和斥力,那么分子力實質上屬于( )A.引力相互作用B.電磁相互作用C.強相互作

15、用和弱相互作用的共同作用D.四種基本相互作用的共同作用解析:分子作用范圍約在10-10m數量級上,強相互作用和弱相互作用都是短程作用力,作用范圍在10-15 m和10-18 m之內,在這個距離內不存在分子力,在這個范圍內引力作用和電磁作用都存在,但由于電磁力遠大于萬有引力,引力作用可以忽略不計,因此分子力本質上屬于電磁相互作用.答案:B二對核力原子核內核子比例的理解例2:對核子結合成原子核的下列說法正確的是( )A.原子核內的核子間均存在核力B.原子核內的質子間均存在核力和庫侖力C.當幾個核子靠近到核力作用的范圍而結合為原子核時,其間“勢能”一定減小D.對質子數較多的原子核,其中的中子起到增加

16、核力維系原子穩定的作用解析:由于核力是近程力,只會發生在相鄰的核子之間,由此可知AB選項錯誤;當幾個核子靠近到核力作用范圍內,距離大于0.810-15 m,核力表現為引力,在此過程中核力必做正功,其間勢能必定減小,形成原子核后一般不小于0.810-15 m,故C正確;對質子數較多的原子核,由于只有相鄰的核子之間才有核力,但各個質子間均有很強的庫侖斥力.隨著質子數的增加其庫侖力增加,對于穩定的原子核,必須存在較多的中子才能維系二者的平衡,故D選項正確.答案:CD鞏固練習1:關于原子核的組成,下列說法正確的是( )A.核力可使一些中子組成原子核B.核力可使較多的質子組成原子核C.不存在只有質子的原

17、子核D.質量較大的原子核內一定含有中子解析:由于原子核帶正電,不存在只有中子的原子核,但核力也不能把較多的質子聚集在一起組成原子核,原因是核力為短程力.質子之間存在著“長程力”庫侖力,故AB選項錯誤;自然界中存在只有質子的原子核,如11H,故C選項錯誤;較大質量的原子核內只有存在一些中子,才能消弱庫侖力維系原子核的穩定,故D選項正確.答案:D三對質量虧損和質能方程的理解例3:對于愛因斯坦提出的質能方程E=m5c2,下列說法正確的是( )A.獲得一定的能量,質量也相應的增加一定的值B.物體一定有質量,但不一定有能量,所以質能方程僅是某種特殊條件下的數量關系C.根據E=m5c2,可知質量減少能量就會增加,在一定條件下質量轉化為能量D.根據E=m5c2可以計算核反應中釋放的核能解析:根據質能方程E=m5c2表明一定的質量和一定的能量是相聯系的,當物體獲得一定的能量,即能量增加某一定值時,它的質量也相應地增加一定值,這種關系在任何條件下都成立,故A選項正確,B選項錯誤;根據E=m5c2可以計算核反應中釋放的能量,釋放的能量并非由質量轉化而來的,故C選項錯誤,D選項正確.答案:AD點評:核反應中的質量虧損,并不是這部分質量消失或質量轉化為能量,物體的質量應包括靜止質量和運動質量,質量虧損是靜止質量的減少,減少的靜止質量轉化為和輻射能量相聯系的運動