第五節(jié)核力與結(jié)合能

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1、回顧：原子核的組成回顧：原子核的組成 原子核是由質(zhì)子和中子原子核是由質(zhì)子和中子組成組成的，質(zhì)子和中子統(tǒng)的，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為稱為核子核子第五節(jié)第五節(jié) 核力與結(jié)合能核力與結(jié)合能提出問題：提出問題：質(zhì)子間存在著巨質(zhì)子間存在著巨大的庫侖斥力，那為什么質(zhì)大的庫侖斥力，那為什么質(zhì)子沒有被排斥開，反而還緊子沒有被排斥開，反而還緊緊的結(jié)合在一起呢？緊的結(jié)合在一起呢？猜想：猜想：萬有引力？萬有引力？m1410一一 核力及其性質(zhì)核力及其性質(zhì)質(zhì)子相互間距質(zhì)子相互間距r的數(shù)量級為的數(shù)量級為10-15m；質(zhì)子質(zhì)量；質(zhì)子質(zhì)量m的數(shù)量級的數(shù)量級為為10-27kg，質(zhì)子電量，質(zhì)子電量e的數(shù)量級為的數(shù)量級為10-19C；萬有引

2、力常量；萬有引力常量G的數(shù)量級為的數(shù)量級為10-11，靜電力常量靜電力常量k的數(shù)量級為的數(shù)量級為109。估算兩估算兩質(zhì)子間質(zhì)子間庫侖斥力庫侖斥力與與萬有引力萬有引力之比？之比？萬庫FF解：解：結(jié)論：結(jié)論：原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬有引力來原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬有引力來抗衡相互間的庫侖斥力是不可能的?？购庀嗷ラg的庫侖斥力是不可能的。再猜想：再猜想：在核子之間一定存在著第三種力，使核在核子之間一定存在著第三種力，使核子能緊密的結(jié)合在一起子能緊密的結(jié)合在一起核力核力227112199222222)10(1010(10/）GmkerGmrke36101、核子之間的強相互作用力叫、核子之間的強相互作

3、用力叫_。2、其主要特點、其主要特點_,_,_.閱讀教材，回答下列問題：閱讀教材，回答下列問題：1、核力、核力：核子之間存在的強相互作用力。核子之間存在的強相互作用力。2、核力的性質(zhì)：、核力的性質(zhì)：（1）核力是）核力是強相互作用強相互作用（強力）（強力），在原子核尺度內(nèi)，核，在原子核尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多。力比庫侖力大得多。（2）核力是）核力是短程力短程力，作用范圍在，作用范圍在1.510-15m之內(nèi)。核力之內(nèi)。核力在大于在大于0.810-15m時表現(xiàn)為吸引力，且隨距離增大而減小，時表現(xiàn)為吸引力，且隨距離增大而減小，超過超過1.510-15m ，核力急劇下降幾乎消失；而在距離小，核力急劇下

4、降幾乎消失；而在距離小于于0.810-15m時，核力表現(xiàn)為斥力，因此核子不會融合在時，核力表現(xiàn)為斥力，因此核子不會融合在一起。一起。（3）核力具有）核力具有飽和性飽和性，每個核子只跟鄰近的核子發(fā)生核，每個核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用。力作用。一一 核力及其性質(zhì)核力及其性質(zhì)1.1.萬有引力：萬有引力：引力主要在宏觀和宇宙尺度上引力主要在宏觀和宇宙尺度上“獨領(lǐng)風(fēng)騷獨領(lǐng)風(fēng)騷”。是引力使行星繞恒星轉(zhuǎn)動，并且聯(lián)系著星系團，決定了宇是引力使行星繞恒星轉(zhuǎn)動，并且聯(lián)系著星系團，決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來。宙的現(xiàn)狀和未來。四四種種基基本本相相互互作作用用3.3.強相互作用：強相互作用：在原子核內(nèi)，強力將核子束縛在

5、一起。在原子核內(nèi)，強力將核子束縛在一起。2.2.電磁力：電磁力：在原子核外，電磁力使電子結(jié)合成分子，使在原子核外，電磁力使電子結(jié)合成分子，使分子結(jié)合成液體與固體。分子結(jié)合成液體與固體。電磁力和萬有引力都是電磁力和萬有引力都是“長程力長程力”，即它們可以作用到，即它們可以作用到無限遠(yuǎn)的距離，當(dāng)然距離越遠(yuǎn)，力就越小無限遠(yuǎn)的距離，當(dāng)然距離越遠(yuǎn)，力就越小4.4.弱相互作用：弱相互作用：弱相互作用是引起原子核弱相互作用是引起原子核衰變衰變的原因，的原因，即引起即引起中子質(zhì)子中子質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是短程力，轉(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強力更短，為其力程比強力更短，為10101818

6、m m，作用強度則比電磁力小。，作用強度則比電磁力小。 物理學(xué)家一直夢想將自然界的四種相互作用納入某種統(tǒng)一物理學(xué)家一直夢想將自然界的四種相互作用納入某種統(tǒng)一的理論中，愛因斯坦為此做了大半生的努力，但沒有成功。的理論中，愛因斯坦為此做了大半生的努力，但沒有成功。氘核）( H2 1 氦核）(He4 2 碳核）( C12 6 二、原子核中質(zhì)子和中子的比例二、原子核中質(zhì)子和中子的比例氧核）( O16 8 釷核）Th(234 90 鈾核）(23892U二、原子核中質(zhì)子和中子的比例二、原子核中質(zhì)子和中子的比例 不能不能；由于；由于核力的作用范圍是有限核力的作用范圍是有限的，的，以及以及核力的飽和性核力的飽

7、和性，如果我們繼續(xù)增大原子，如果我們繼續(xù)增大原子核，一些核子間的距離會核，一些核子間的距離會大到大到其間根本其間根本沒有沒有核力核力的作用，這時即使再增加中子，形成的的作用，這時即使再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的。核也一定是不穩(wěn)定的。二、原子核中質(zhì)子和中子的比例二、原子核中質(zhì)子和中子的比例宏觀模型：宏觀模型：相距很遠(yuǎn)的兩個物體，由于萬有引力而相互接近，運相距很遠(yuǎn)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(zhuǎn)化為動能最后撞在一起，動能變成動速度越來越大，引力勢能轉(zhuǎn)化為動能最后撞在一起，動能變成它們的內(nèi)能散失掉了。兩個物體為了結(jié)合而付出了代價失去它們的內(nèi)能散失掉了。兩個物體

8、為了結(jié)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。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。 要將原子核拆散成單個核子，也一定需要的能量。要將原子核拆散成單個核子，也一定需要的能量。根據(jù)功能關(guān)系，理由是什么？根據(jù)功能關(guān)系，理由是什么？三、結(jié)合能三、結(jié)合能微觀模型：微觀模型：原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的開，也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能結(jié)合能。 三、三、 結(jié)合能結(jié)合能結(jié)合能：結(jié)合能：將原子核拆分成單個核子需要吸收的能量將原子核拆分成單個核子需要吸收的能量

9、將單個核子結(jié)合成原子核所要放出將單個核子結(jié)合成原子核所要放出的能量的能量類比分析：類比分析：要使基態(tài)氫原子電離，也就是要從氫原子要使基態(tài)氫原子電離，也就是要從氫原子中把電子剝離，需要通過碰撞、照射光子中把電子剝離，需要通過碰撞、照射光子等途徑讓它得到等途徑讓它得到13.6eV 13.6eV 的能量。這個能量的能量。這個能量實際上就是電子與氫原子核的結(jié)合能，不實際上就是電子與氫原子核的結(jié)合能，不過通常把它叫做氫原子的電離能，而過通常把它叫做氫原子的電離能，而結(jié)合結(jié)合能一詞只用在原子核中能一詞只用在原子核中 三、三、 結(jié)合能結(jié)合能 -0.85n2341E（eV） -3.40 -1.510-13.6

10、0m rv 當(dāng)核子當(dāng)核子結(jié)合結(jié)合成原子核時要成原子核時要放出放出一定能量；原一定能量；原子核子核分解分解成核子時，要成核子時，要吸收吸收同樣的能量。這個能同樣的能量。這個能量叫做量叫做原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能。 結(jié)合能并結(jié)合能并不是不是由于核子結(jié)合成原子核而由于核子結(jié)合成原子核而具有具有的能量，的能量，而是而是為把核子分開而為把核子分開而需要需要的能量。的能量。 組成原子核的組成原子核的核子數(shù)核子數(shù)，組成原子核的，組成原子核的核子核子數(shù)越多，結(jié)合能越大。數(shù)越多，結(jié)合能越大。三三 結(jié)合能結(jié)合能如何才能反映原子核的穩(wěn)定程度？如何才能反映原子核的穩(wěn)定程度？U-235Li-6結(jié)合能越大原子核是不是

11、越難被拆散？即：結(jié)結(jié)合能越大原子核是不是越難被拆散？即：結(jié)合能的大小能不能反映原子核的穩(wěn)定程度？合能的大小能不能反映原子核的穩(wěn)定程度？三三 結(jié)合能結(jié)合能1）概念：）概念：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比稱做比結(jié)稱做比結(jié)合能，合能，也叫也叫平均結(jié)合能平均結(jié)合能。2）理解：）理解：核子結(jié)合成原子核時，平均每個核子核子結(jié)合成原子核時，平均每個核子所釋放的結(jié)合能，它也等于把原子核拆散成每個所釋放的結(jié)合能，它也等于把原子核拆散成每個核子時，外界提供給每個核子的平均能量。核子時，外界提供給每個核子的平均能量。 比結(jié)合能比結(jié)合能結(jié)合能結(jié)合能核子數(shù)核子數(shù)=3）意義：）意義： 它反映了一個原

12、子核穩(wěn)定程度。比結(jié)它反映了一個原子核穩(wěn)定程度。比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定。合能越大，原子核越穩(wěn)定。如何才能反映原子核的穩(wěn)定程度？如何才能反映原子核的穩(wěn)定程度？比結(jié)合能：比結(jié)合能： (1) 物體具有的能量跟它的質(zhì)量存在著簡單正比物體具有的能量跟它的質(zhì)量存在著簡單正比關(guān)系關(guān)系.對質(zhì)能方程對質(zhì)能方程E=mc2的理解：的理解：質(zhì)能方程質(zhì)能方程 E=mcE=mc2 2（2）任何質(zhì)量為）任何質(zhì)量為m的物體都具有大小相當(dāng)于的物體都具有大小相當(dāng)于mc2的能量。的能量。（3）物體的質(zhì)量發(fā)生變化，相對應(yīng)的能量也會）物體的質(zhì)量發(fā)生變化，相對應(yīng)的能量也會變化。變化。如何求解原子核的結(jié)合能？如何求解原子核的結(jié)合能？如何

13、求解原子核的結(jié)合能？如何求解原子核的結(jié)合能？HHn211110反應(yīng)前質(zhì)量反應(yīng)前質(zhì)量/kg反應(yīng)后質(zhì)量反應(yīng)后質(zhì)量/kgmn1.67491027m氘氘3.34361027mp1.67261027總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量3.343610273.3475 1027在物理上，原子核的質(zhì)量總是小于組成它的核子的質(zhì)量在物理上，原子核的質(zhì)量總是小于組成它的核子的質(zhì)量之和，這個現(xiàn)象叫做之和，這個現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損。質(zhì)量虧損。 如何應(yīng)用質(zhì)能方程求解如何應(yīng)用質(zhì)能方程求解原子核的結(jié)合能？原子核的結(jié)合能？ 四、質(zhì)能方程四、質(zhì)能方程 E=mc2HHn211110反應(yīng)前質(zhì)量反應(yīng)前質(zhì)量/kg反應(yīng)后質(zhì)量反應(yīng)后質(zhì)量/kgmn1.67

14、491027mD3.34361027mp1.67261027總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量3.343610273.3475 1027m=(mm=(mn n+m+mp p-m-mD D)=0.0039 )=0.0039 1027kg28 272)10 (3.010 0.0039=mc =EJ131051. 3MevMev19. 210106 . 11051. 361913四、質(zhì)能方程四、質(zhì)能方程 E=mc2計算結(jié)合能時，先計算計算結(jié)合能時，先計算質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損m m，再帶入，再帶入質(zhì)能方程求出結(jié)合能質(zhì)能方程求出結(jié)合能2mcE2mcE計算結(jié)合能時，先計算計算結(jié)合能時，先計算質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損m m，在帶

15、入，在帶入質(zhì)能方程求出結(jié)合能質(zhì)能方程求出結(jié)合能計算任意核反應(yīng)中釋放計算任意核反應(yīng)中釋放的核能，先計算質(zhì)量虧的核能，先計算質(zhì)量虧損損m m，再帶入質(zhì)能方，再帶入質(zhì)能方程求出核能。程求出核能。核能核能質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損四、質(zhì)能方程四、質(zhì)能方程 E=mc2【討論與交流【討論與交流】1、質(zhì)量和能量是兩個完全不同的概念，它們表征的對象、質(zhì)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(zhuǎn)化。不同，相互之間不能轉(zhuǎn)化。下面說法是否正確。并說明理由。下面說法是否正確。并說明理由。由質(zhì)能方程由質(zhì)能方程E=mc2，可推得，可推得E=mc2,這說明質(zhì)量就是能這說明質(zhì)量就是能量，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。量，質(zhì)

16、量可以轉(zhuǎn)化為能量。2、質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量與能量的不可分割性，方程建立、質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量與能量的不可分割性，方程建立了這兩個屬性在數(shù)值上的關(guān)系，質(zhì)量虧損對應(yīng)能量釋放。了這兩個屬性在數(shù)值上的關(guān)系，質(zhì)量虧損對應(yīng)能量釋放。但決不是這兩個量相互轉(zhuǎn)化。但決不是這兩個量相互轉(zhuǎn)化。四、質(zhì)能方程四、質(zhì)能方程 E=mc2 中等大中等大小的核最小的核最穩(wěn)定穩(wěn)定，因，因為這些核為這些核的的比結(jié)合比結(jié)合能最大能最大（平均每平均每個核子的個核子的質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損最大最大）。）。猜想獲得核能的途徑？猜想獲得核能的途徑？ 課堂小結(jié)課堂小結(jié)一、核力一、核力二、原子核中質(zhì)子數(shù)與中子的比例關(guān)系二、原子核中質(zhì)子數(shù)與中子的比例關(guān)系三

17、、結(jié)合能和比結(jié)合能三、結(jié)合能和比結(jié)合能四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損例1、碳原子質(zhì)量的1/12叫做原子質(zhì)量單位，用u表示。試證明1u相當(dāng)于931.5MeV。證明： 碳原子的摩爾質(zhì)量為碳原子的摩爾質(zhì)量為M=12g/molM=12g/mol，所以，所以一個碳一個碳原子質(zhì)量原子質(zhì)量為為m=M/NA=1.993m=M/NA=1.9931010-26-26kgkg 所以所以1u=m/12=M/12NA=1.66061u=m/12=M/12NA=1.66061010-27-27kgkg 代入公式代入公式E=mcE=mc2 2得：得： E=1.4924E=1.49241010-10-10J=931.5MeVJ=931.5MeV 得證得證四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損A.反應(yīng)后氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和反應(yīng)后氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量和中子的質(zhì)量和B.反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)不變，因而質(zhì)量不變反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)不變，因而質(zhì)量不變C.核子結(jié)合成核時，一定釋放核能核子結(jié)合成核時，一定釋放核能D.光子具有的能量為光子具有的能量為2mcm 例例2.中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，同時釋放中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，同時釋放光子，光子，核反應(yīng)方程是核反應(yīng)方程是 ,下列說法正確的下列說法正確的是（是（ ）為核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損102111HH+n ACD 四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損