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1、19.5 核力与结合能,第十九章 原子核,东海县白塔高级中学高二物理组,1.自然界中的四种基本相互作用力：（1）引力相互作用（2）电磁相互作用（3）强相互作用（4）弱相互作用,一、核力与四种基本相互作用,2.原子核的组成：,20世纪初，人们知道自然界存在万有引力和电磁力这两种基本相互作用，你能算出相同的距离上，两质子间的电磁力是万有引力的多少倍？,质子间的电磁力是万有引力的1035倍,原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子。电荷数=质子数质量数=质子数+中子数=核子数,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。猜想：有第三种力-核力，是核力把核子紧紧地束缚在核内
2、，形成稳定的原子核。,核子靠什么力结合成原子核？,核力有哪些特点？,1.核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。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1.510-15m之内，距离大于0.810-15m时为吸引力,距离超过1.510-15m时核力几乎消失，距离小于0.810-15m时为斥力，因此核子不会融合在一起。,3.核力具有饱和性。每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。,4.核力具有电荷无关性。核力与核子电荷无关，相邻的质子和质子、质子和中子、中子和中子之间都有核力作用。,人们对核力的认识还有哪些有待完善？,小于0.810-1
3、5m时核力的变化规律还不清楚,除核力外原子核内还存在弱相互作用（弱力）。弱相互作用是引起原子核发生衰变的原因,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10-18m，作用强度比电磁力弱。,第四种基本相互作用就是弱相互作用，它有何作用？有何特点？,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。,为什么会这样呢？,二、原子核中质子和中子的比例,轻核（原子序数小于20）的质子数和中子数大致相等；对轻核而言，核子数量相对较小，核子间距处于核力作用范围之内，由于核力远大于电磁力，即使质子和中子成对出现，强大的核力也
4、可以将核子紧紧地束缚在原子核的范围之内，形成稳定的原子核。,稳定的轻核（原子序数小于20）的质子数和中子数有何特点？你能分析其中的原因吗？,重核（原子序数大于20）的质子数小于中子数；随核子数量增大，有些核子间距会变大，核力和电磁力都会减小，但是核力减小得更快，相距较远的质子间的核力不足以平衡他们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了。这时如果不再成对增加质子和中子，而只增加中子，中子和其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定。由于这个原因，稳定的重原子核里，中子数要比质子数多。,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？,不能；由于
5、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？,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。,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
6、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？,三、结合能,微观模型：原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。（p81）,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、施加电场、赋予光子等某种途径让它得到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.,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。,结合能是原子具有的能量吗？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
7、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？,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。因为比结合能越大，将相同数量的核子分开所需的能量越大。,什么是比结合能？为什么说比结合能越大，原子核中核子结合越牢固、原子越稳定？,爱因斯坦的质能方程：Emc2，能量减小E=mc2,四、质量亏损,物体的质量和能量有何关系？若一个物体质量减小了m，那么它的能量减小多少？,例题：已知中子的质量mn=1.674910-27kg，质子的质量为mp=1.67
8、2610-27kg，氘核的质量mD=3.343610-27kg。将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了多少？能量减小了多少？氘核的结合能是多少？比结合能是多少？,质量减小量:m=(mp+mn)-mD=0.003910-27kg能量减小量:E=m c2=3.5110-13J=2.19106eV结合能:E=m c2=2.19MeV比结合能为:E/n=E/2=1.10MeV,国际单位:m用“kg”，C用“m/s”，E用“J”,没有违反能量守恒定律；减小的这部分能量以光子释放出去。,没有违反质量守恒定律；减小的那部分质量等于光子的动质量。,将一个质子和一个中子结合成一个氘核，能量减小了，是否违
9、反了能量守恒定律？为什么？,将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了，是否违反了质量守恒定律？为什么？,原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象称为质量亏损。质量亏损表明:的确存在着原子核的结合能。,什么是质量亏损？质量亏损表明什么？,如右图，哪些原子核最稳定，为什么？,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）。,核子平均质量：,核子的平均质量与原子序数之间的关系,原子核的质量,核子数,使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等质量的核；因为使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等大小的核，核子的比结合能都会增加，即核子
10、将发生新的质量亏损，释放新的核能。,若要释放结合能，我们可以怎么做？为什么？,ACD,例题(B级).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931MeV。,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=1.99310-26kg 所以1u=m/12=M/12NA=1.660610-27kg 代入公式E=mc2得：E=1.492410-10J=931MeV,3个粒子结合成一个126C,126C原子的质量是12.0000 u，42He原子核的质量是4.0026 u,已知1 u=1.6610-27 kg,1 u相当于931.5 MeV的能量，则(
11、)A.反应过程中质量亏损是m=0.007 8 uB.反应过程中质量亏损是m=1.2910-27kgC.反应过程中放出的能量是7.27 MeVD.反应过程中放出的能量是1.1610-19 J,【解析】选A、C.质量亏损m=3mA-mC=34.0026 u-12.0000 u=0.0078 u=1.2910-29 kg，A对B错.E=mc2=0.0078 uc2=0.007 8931.5 MeV=7.27 MeV=1.1610-12 J，C对D错.,已知氮核质量mN=14.007 53 u，氧核质量mO=17.004 54 u，氦核质量mHe=4.003 87 u，质子质量mH=1.008 15
12、u，试判断核反应147N+42He 178O+11H是吸能反应还是放能反应？能量变化为多少？,【解析】反应前总质量mN+mHe=18.011 40 u反应后总质量mO+mH=18.012 69 u，因为反应中质量增加，所以此反应是吸能反应，所吸能量为E=mc2=(mO+mH)-(mN+mHe)c2=(18.012 69-18.011 40)931.5 MeV=1.2 MeV.答案：吸能 1.2 MeV,质能方程的本质质量或能量是物质的属性之一，决不能把物质和它们的某一属性(质量和能量)等同起来；质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，方程建立了这两个属性在数值上的关系，这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒，质量和能量在数值上的联系决不等于这两个量可以相互转化；质量亏损不是否定了质量守恒定律.根据爱因斯坦的相对论，辐射出的光子静质量虽然为零，但它有动质量，而且这个动质量刚好等于亏损的质量，所以质量守恒、能量守恒仍成立.,下列说法中正确的是()A.爱因斯坦质能方程反映了物体质量就是能量，它们之间可以互相转化B.由E=mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所蕴含能量的量度C.核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转化成的D.因在核反应中产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒,B,
