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3. 核力与结合能
人教版（2019）物理（选择性必修第三册）
第五章 原子核
目录
素养目标
01
课程导入
02
新课讲解
03
总结归纳
04
课堂练习
05
正确教育
素养目标
1.知道四种基本相互作用，知道核力的性质
2.认识原子核的结合能和比结合能的概念
3.能用质量亏损和质能方程计算核能相关的问题
原子核是由中子和质子构成的。在原子核那样狭小的空间里，是什么力量把带正电的质子紧紧地束缚在一起而不飞散开呢？
正确教育
核力与四种基本相互作用
核力
③核力具有饱和性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。
④核力具有电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。
②核力是短程力。约在 10-15m量级时起作用，距离大于0.8×10-15m时为引力， 距离为10×10-15m时核力几乎消失，距离小于0.8×10-15m时为斥力。
① 核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。
能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。
四种基本相互作用
引力相互作用
电磁相互作用
强相互作用
弱相互作用
引力相互作用
引力是自然界的一种基本相互作用，地面物体所受的重力只是引力在地球表面附近的一种表现。
视频：引力波
电磁相互作用
电荷间与磁体间的相互作用
宏观物体之间的压力、拉力、弹力、支持力等等，都起源于这些电荷之间的电磁相互作用。
弹力
强相互作用
原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。
p
n
n
p
p
n
短程力：约在10-15 m量级时起作用
弱相互作用
在某些放射现象中起作用的另一种基本相互作用
弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子---质子转变的原因。
短程力（弱相互作用）：约在10-18 m量级时起作用
四种基本相互作用按强度来排列，顺序是：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用
尽管四种相互作用存在巨大的差别，物理学家们在努力寻求力的统一。近年来，在弱作用和电磁作用的统一方面，已经取得成功。
实验已经证明：正如电和磁是电磁作用的两种不同表现一样，弱作用和电磁作用也只不过是统一的弱电相互作用的两种不同表现而已。弱电统一的成就促进了强、电、弱三种作用统一起来的大统一的研究。
四种基本相互作用的比较
1.(多选)对于核力，以下哪些说法是正确的(　　)
A．核力是弱相互作用，作用力很小
B．核力是强相互作用，是强力
C．核子之间的距离小于0.8×10－15 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起
D．人们对核力的了解很清楚，特别是在小于0.8×10－15 m时，核力的变化规律更清楚
经典例题
BC
答案：BC
解析：核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围在1.5×10－15 m之内，选项B正确，A错误；核力在大于0.8×10－15 m时，表现为吸引力，且随距离增大而减小，在距离小于0.8×10－15 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起，选项C正确；人们对核力的了解还不是很清楚，这是科学家们奋斗攻克的堡垒，故D项错误．
正确教育
核能
思考讨论：如图氦原子核是由两个质子和两个中子凭借核力结合在一起的，要把它们分开，需要吸收能量。反过来，4个核子结合成氦原子核要放出能量。
那么，把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系
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
结合能
原子核分解成核子时所吸收的能量。
吸收 27.386 MeV
吸收 2.2 MeV
注意：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
思考：如果结合能越大，就说明把原子核分开，所需要的能量越大，是不是就意味着原子核越稳定吗？
原子核越大
→核子个数越多
平均到每一个核子的结合能大小来反应原子核的稳定性。
→结合能越大
结合能
核子数
比结合能=
比结合能
原子核的结合能与其核子数之比，称为比结合能.
也叫平均结合能。
由图可知，中等质量原子核的比结合能大，原子核比较稳定，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核小。
比结合能越大，原子核越稳定
比结合能与原子核稳定的关系
①比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定。
②核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核,比结合能较大，表示原子核较稳定。
③当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可能释放核能。例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。
2.下列关于结合能和比结合能的说法中，正确的有(　 　)
A．核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能
B．比结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大
C．重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和比结合能都大
D．中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大
经典例题
D
答案：D
解析：核子结合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，A选项错误；比结合能越大的原子核越稳定，但比结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的比结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核反而小，B、C选项错误；中等质量原子核的比结合能比轻核的大，它的原子核内核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，D选项正确．
正确教育
质量亏损
质量亏损
原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫作质量亏损。质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。
原子核
能量
质量亏损
光
中子
质子
原子核的结合能很难直接测量。幸好，爱因斯坦已经给我们指出了物体的能量与它的质量的关系，即
E = mc2
质子：mp=1.6726×10-27kg
中子：mn=1.6749×10-27kg
结合时的质量差
→结合能
质量变化时，表达式为：△E = △mc2
氘核：mD=3.343×10-27kg
试着计算一下氘核的结合能
爱因斯坦质能方程
用质能方程ΔE＝Δmc2计算质量亏损对应的能量．
①若Δm 的单位是千克，则需要将c＝3×108 m/s代入，计算得到的ΔE 的单位为焦耳．
②若Δm 的单位是原子质量单位u，则可用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算，即用质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV. (1 u = 931.5 MeV/C2)
例 已知中子的质量mn为1.6749x10-27 kg,质子的质量mp为1.6726 x10-27 kg，氘核的质量mD为3.343 6x 10-27 kg，求氘核的比结合能。
解：一个质子和一个中子结合成氘核
单个质子和单个中子的质量和为
mp+mn=（1.6726+1.6749）×10-27kg=3.3475×10-27kg
这个数值与氘核质量之差
（mp+mn）-mD=（3.3475-3.3436）×10-27kg=0.0039×10-27kg
与这个质量差相对应的能量为
ΔE=Δmc2=0.0039×10-27×(3.00×108)2J=3.51×10-13J
氘核的比结合能为
核物理中，能量单位常使用电子伏特：1eV=1.60×10-19J，所以结合能是
第一、 核反应过程中，核子结合成原子核时，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。
第二、 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。
第三、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
一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能．
3.质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3，当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c 表示真空中的光速)(　 　)
A．(m1＋m2－m3)c B．(m1－m22－m3)c
C．(m1＋m2－m3)c2 D．(m1－m2－m3)c2
经典例题
C
答案：C
解析：根据质能方程ΔE＝Δmc2知，核反应过程中释放的能量等于质量的减少量与光速c的二次方的乘积，故选项C正确．
核力与结合能
核力与四种基本相互作用
核力的定义、特点
四种基本相互作用
结合能
质量亏损：质能方程 E=mc2
比结合能
核能的计算方法
下列说法中正确的是(　 　)
A．原子核内的所有质子间都存在核力和库仑力
B．对质子数较多的原子核，其中的中子起到维系原子核稳定的作用
C．重核比中等质量的核更稳定
D．两个质子之间不管距离如何，核力总大于库仑力
B
答案：B
解析：只有相邻质子间才存在核力，A、D错误；中子与其他核子间没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，起到维系原子核稳定的作用，B正确；中等质量大小的核最稳定，C错误．
如图，原子核的平均核子质量A与原子序数Z的关系图像，下列说法正确的是(　 　)
A．若D、E能结合成F，结合过程一定会释放能量
B．若D、E能结合成F，结合过程一定会吸收能量
C．若C、B能结合成G，结合过程一定会释放能量
D．若F、C能结合成B，结合过程一定会释放能量
A
答案：A
解析：由ΔE＝Δmc2可知，释放能量时生成物比反应物质量小，反之则大．根据题图可知，D、E结合成F，核子数不变，质量减少，释放能量，A选项正确．
(多选)中子和质子结合成氘核时，质量亏损为Δm，相应的能量ΔE＝Δmc2＝2.2 MeV是氘核的结合能．下列说法正确的是(　 　)
A．用能量小于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核不能分解为一个质子和一个中子
B．用能量等于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零
C．用能量大于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零
D．用能量大于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和不为零
AD
答案：AD
解析：中子和质子结合时放出的能量为2.2 MeV，所以要使氘核分解为中子和质子至少也需要2.2 MeV的能量，所以A正确；因为动能为标量，氘核分解为中子和质子时，二者不可能都是静止的，所以动能之和不为零，这一部分动能来自于光子的能量，所以B、C错误，D正确．
太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少．太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026 J，根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近(　 　)
A．1036 kg B．1018 kg
C．1013 kg D．109 kg
D
(多选)关于原子核的结合能，下列说法正确的是(　 　)
A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量
B．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能
C．铯原子核( )的结合能小于铅原子核( )的结合能
D．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能
ABC
答案：ABC
解析：结合能是把核子分开所需的最小能量，选项A正确；一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，选项B正确；核子数越多，结合能越大，选项C正确；自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，选项D错误．
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