核力與結合能公開課第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一第四節核力與結合能目標：1、知道核力的概念及其性質。2、認識原子核的結合能3、了解平均結合能。4、會利用質能方程求解結合能。★第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一回顧：原子核的組成原子核是由質子和中子組成的，質子和中子統稱為核子．第四節核力與結合能提出問題：質子間存在著巨大的庫倫斥力，那為什么質子沒有被排斥開，反而還緊緊的結合在一起呢？猜想：萬有引力？第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一原子核的組成中子

質子統稱核子

UHeH114223592XAZ（核）電荷數質量數

一.原子核的組成

10－15m

元素符號

核力及其性質第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一一核力及其性質質子相互間距r的數量級為10-15m；質子質量m的數量級為10-27kg，質子電量e的數量級為10-19C；萬有引力常量G的數量級為10-11，靜電力常量k的數量級為109。估算庫侖力與萬有引力之比？解：分析論證結論：原子核中的質子要靠自身的萬有引力來抗衡相互間的庫侖力是不可能的。再猜想：在核子之間一定存在著第三種力，使核子能緊密的結合在一起。——核力。第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一核力：能夠把核中的各種核子聯系在一起的強大的力叫做核力．核力具有怎樣的特點呢？二、核力：第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一

2.核力是短程力。約在10-15m量級時起作用，距離大于0.8×10-15m時為引力,距離為10×10-15m時核力幾乎消失，距離小于0.8×10-15m時為斥力。3.核力具有飽和性。核子只對相鄰的少數核子產生較強的引力，而不是與核內所有核子發生作用。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。

要真正了解核子間的相互作用還要考慮核子的組成物——夸克的相互作用。1.核力是四種相互作用中的強相互作用（強力）的一種表現。第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一除核力外原子核內還存在弱相互作用（弱力）弱力是引起中子－質子轉變的原因弱相互作用也是短程力，力程比強力更短，為10－18m，作用強度則比電磁力小。第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一*三、原子核中質子與中子的比例自然界中較輕的原子核，質子數與中子數大致相等，但對于較重的原子核，中子數大于質子數，越重的元素，兩者相差越多。為什么會這樣呢？原子核中的質子數又稱為原子序數周期表中比較靠后的元素對應的原子核叫重核，靠前的叫輕核。第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一原子核中質子和中子的比例①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。第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一②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？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。第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一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。③若不斷增大原子核的中子數，能不斷增大原子核嗎？為什么？

在宇宙演化的進程中，各種粒子有機會進行各種組合，但那些不穩定的組合很快就瓦解了，只有200多種穩定的原子核長久地留了下來。現在觀察到的天然放射性元素，則正在瓦解之中。第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一核越來越大，有些核子間的距離越來越遠。隨著距離的增加，核力與電磁力都會減小，但核力減小得更快。所以，原子核大到一定程度時，相距較遠的質子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個原子核就不穩定了。這時，如果不再成對地增加核子，而只增加中子，中子與其他核子沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，有助于維系原子核的穩定。由于這個原因，穩定的重原子核里，中子數要比質子數多。第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一由于核力的作用范圍是有限的，如果繼續增大原子核，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也無濟于事，這樣的核必然是不穩定的。在宇宙演化的進程中，各種粒子有機會進行各種組合，但那些不穩定的組合很快就瓦解了，只有200多種穩定的原子核長久地留了下來。現在觀察到的天然放射性元素，則正在瓦解之中。第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一二結合能要將原子核拆散成單個核子，一定需要吸收巨大的能量。根據功能關系，理由是什么？第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一由于核子間存在著強大的核力，所以核子結合成原子核或原子核分解為核子時，都伴隨著巨大的能量變化．可見，由于核子間存在強大的核力，要把原子核拆散成核子，要克服核力做功，必須吸收一定的能量．反之，根據能量守恒，核子結合成原子核時，也會放出同樣多的能量。這個能量叫做原子核的結合能。結合能可以以光子的形式放出來。二、結合能分解：結合：γ為光子，其能量≥2.2MeV，反應才能發生第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一二結合能當光子能量等于或大于2.22MeV時，這個反應才會發生

一個質子和一個中子結合成氘核，要放出2.22MeV的能量結合能：將原子核拆散成單個核子需要吸收的能量或是將核子結合成原子核所放出的能量第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一【思考】：結合能越大原子核是不是越難被拆散？

即：結合能的大小能不能反映原子核的穩定程度？三平均結合能如何才能反映原子核的穩定程度？U-235Li-6第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一三平均結合能1）概念：原子核的結合能與核子數之比2）理解：核子結合成原子核時，平均每個核子所釋放的結合能，它也等于把原子核拆散成每個核子時，外界必須提供給每個核子的平均能量。2、平均結合能：結合能核子數=3）意義：它反映了一個原子核穩定程度。平均結合能越大，核越穩定。第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一從圖象上看，哪一種原子的平均結合能更大？第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一四、質量虧損中子的質量=1.6749×10－27Kg質子的質量=1.6726×10－27Kg中子和質子的質量和=3.3475×10－27Kg

氘核的質量=3.3436×10－27Kg質量差=0.0039×10－27Kg問題分析：質子與中子結合成氘核前后總質量的差異第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一四、質量虧損質量虧損：原子分解為核子時，質量增加；核子結合成原子核時，質量減少。原子核的質量小于組成原子核的核子的質量之和，叫做質量虧損。可見，核反應前后，總質量并不相等！第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一對比愛因斯坦質能方程E=mc2核子在結合成原子核時出現的質量虧損Δm，與它們在互相結合過程中放出的能量是否存在某種對應關系呢？質量虧損的思考：ΔE

Δm·c2？結論：以上等式確實成立，表明質量虧損與能量變化有著密切的聯系第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一3、有關問題的理解和注意事項第一.核反應過程中:

核子結合成原子核時,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.第二.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.第三.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.第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一第四.公式ΔE=Δm·c2

的單位問題國際單位:m用“kg”C用“m/s”ΔE用“J”常用單位:m用“u(原子質量單位)”1u=1.660566×10-27kgΔE用“uc2”

1uc2=931MeV(表示1u的質量變化相當于931MeV的能量改變)P82問題與練習3.第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一當然，2.19MeV的能量的絕對數量并不算大，但這只是組成1個氘核所放出的能量．如果組成的是6.02×1023個氘核時，放出的能量就十分可觀了．與之相對照的是，使1摩的碳完全燃燒放出的能量為393.5×103J．折合為每個碳原子在完全燃燒時放出的能量只不過4eV．若跟上述核反應中每個原子可能放出的能量相比，兩者相差數十萬倍．第五.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.

第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一(1)

物體具有的能量跟它的質量存在著簡單正比關系.對質能方程理解E=mc2的理解四質能方程E=mc2（2）任何質量為m的物體都具有大小相當于mc2的能量。任何一部分能量也都與一定的質量向對應。（3）物體的質量發生變化，相對應的能量也會變化。第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一m1m2m3根據質能方程E=mc2和能量守恒定律，推導出γ光子的能量(即氘核的結合能）并總結出求結合能的方法。方法：計算結合能時，先計算質量虧損Δm，在帶入質能方程求出結合能四質能方程

E=mc2ΔE第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一計算結合能時，先計算質量虧損Δm，在帶入質能方程求出結合能方法：推廣推廣計算任意核反應中釋放的核能，先計算質量虧損Δm，在帶入質能方程求出核能。核能質量虧損三質能方程E=mc2第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一【討論與交流】四質能方程E=mc21、質量和能量是兩個完全不同的概念，它們表征的對象不同，相互之間不能轉化。下面說法是否正確。并說明理由。（1）由質能方程E=mc2，可推得ΔE=Δmc2,這說明質量就是能量，質量可以轉化為能量。2、質能方程揭示了質量與能量的不可分割性，方程建立了這兩個屬性在數值上的關系。決不是這兩個量相互轉化。（2）關系式ΔE=Δmc2中的質量虧損表明在核反應時質量不守恒。第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一四質能方程E=mc2【討論與交流】下面說法是否正確。并說明理由。（2）關系式ΔE=Δmc2中的質量虧損表明在核反應時質量不守恒。1、質量包括靜止質量和運動質量兩部分組成2、ΔE=Δmc2中Δm可以理解為靜止質量的虧損，

也可以理解為釋放的能量ΔE對應的運動質量增加3、因此質量虧損不能簡單地認為質量減少，質量虧損的本質是靜止質量的虧損轉化為運動質量，是質量守恒在核反應中的客觀體現m1m2m3ΔE第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一

目標檢測1、一下關于核力的說法正確的是（）A、核力存在于任何核子之間B、核力只存在于相鄰的核子之間C、核力與萬有引力性質相同D、核力是一種短程的強作用力B、D考查點：核力的性質第33頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一

目標檢測2、聯合國將2005年定為“國際物理年”，以紀念愛因斯坦對物理學的巨大貢獻。對于愛因斯坦提出的質能方程E=mc2，下列說法中正確的是（)A、E=mc2表明物體具有的能量與其質量成正比B、E=mc2中的E表示發生核反應過程中釋放的核能C、根據ΔE=Δmc2可以計算核反應中釋放的核能D、Δ

E=Δ

mc2表示發生的質量虧損Δm轉變成為能量Δ

E釋放出來A、C第34頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一3、當氘核和氚核聚合成氦核時會釋放大量能量，設氘核的質量為m1，氚核的質量為m2，氦核的質量為m3,中子的