资源简介

高中物理选择性必修第三册 第五章：原子核 第3 节:核力与结合能
第 3节：核力与结合能
引入新课
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？
质子相互间距r的数量级为10-15m；质子质量m的数量级为10-27kg，质子电量e的数量级为10-19C；万有引力常量G的数量级为10-11，静电力常量k的数量级为109。估算库仑力与万有引力之比？
猜想：万有引力？
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。
在核子之间一定存在着第三种力，把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。
一、核力与四种基本相互作用
1.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。
一、核力与四种基本相互作用
2.电磁相互作用
电荷间的相互作用、磁体间的相互作用相互作用都是电磁相互作用
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。
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
一、核力与四种基本相互作用
3. 强相互作用
(1)定义：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。
(2)特点
①核力是强相互作用(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。约在10-15m数量级时起作用，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，因此核子不会融合在一起。
③核力与电荷无关。核力与核子电荷无关。
④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。
弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子一质子转变的原因。
短程力：
约在10-18m量级时起作用弱相互作用也是短程力(比强力更短)，作用强度比电磁力小。
一、核力与四种基本相互作用
4. 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
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}
作用对象
特点
作用范围
举例
引力相互作用
电磁相互作用
强相互作用
弱相互作用
一切物体之间
随距离增大而减弱
长程力，宏观
重力
电荷间、电流间、磁体间
引力相互作用
长程力，宏观
弹力、摩擦力
组成原子核的核子之间
距离增大时，急剧减小
短程力，微观
核力
基本粒子之间引起原子核β衰变的原因
距离增大时，急剧减小，比强相互作用小得多
基本粒子间的力
短程力，微观
5、四种基本相互作用的对比
一、核力与四种基本相互作用
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，一部分动能变成热并散失掉了。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，还要重新赋予它们能量。
宏观现象：
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、让氢原子吸收光子等途径使它得到相应的能量。
微观现象：
二、结合能
如图5.3-3，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？
γ为光子，其能量ε≥27.386MeV，反应才能发生
γ为光子，其能量ε＝27.386MeV
把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量相等。
????????????????+????→????????????????+????????????????
?
分开氦原子核
????????????????+????????????????→????????????????+????
?
核子结合成氦原子核
思考与讨论
二、结合能
1、结合能：原子核分解成核子时所吸收的能量。
吸收27.386MeV
????????????+????→????????????+????????????
?
吸收2.2MeV
也是核子结合成原子核而释放的能量
????????????????+????→????????????????+????????????????
?
组成原子核的核子越多，它的结合能越高。因此，有意义的是它的结合能与核子数之比。
2、比结合能（平均结合能）：
意义：它反映了一个原子核稳定程度，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。
原子核的结合能＝核子的平均结合能×核子数。核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能。
二、结合能
二、结合能

(1)结合能大的原子核，比结合能不一定大，结合能小的原子核，比结合能不一定小。
(2)核的大小与原子核稳定的关系方面：中等大小核的比结合能最大、原子核最稳定。　
特别提醒
3、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。
二、结合能
4、原子核的比结合能随质量数的变化曲线（实验数据）
不同原子核的比结合能是不一样的，右图是按照实际测量结果画的图线。可以看出，中等大小的核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。
三、质量亏损
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
质量变化时，对应的能量变化的表达式为：
质子：mp=1.6726×10-27kg
中子：mn=1.6749×10-27kg
结合时的质量差
→ 结合能
已知中子的质量mn=1.6749×10-27kg，质子的质量mp=1.6726×10-27kg，氘核的质量mD=3.343×10-27kg，求氘核的比结核能。
解：
能量单位常常使用电子伏特1eV=1.6×10-19J
氘核的比结合能：
三、质量亏损
单个质子与中子的质量之和为
这个数值与氘核质量之差：
与这个质量差相对应的能量为
1、质量亏损 通过这个例题可以看出，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
三、质量亏损
爱因斯坦
物体的能量和质量之间存在密切的联系，他们的关系是：
核子在结合成原子核时要放出能量，出现质量亏损，大小为：
质能方程
物体质量，随着能量的变化，会发生变化。
2、爱因斯坦质能方程：E＝mc2 （ΔE＝Δmc2）
E＝mc2
ΔE＝Δmc2
三、质量亏损
(1)所谓质量亏损，并不是质量消失，而是减少的质量在核子结合成核的过程中以能
量的形式辐射出去了。反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也
要增加，增加的能量要由外部供给。
三、质量亏损
3、质量亏损Δm的理解
质量亏损并不是这部分质量消失或质量转变为能量。物体的质量应包括静止质量和运动质量，质量亏损是静止质量减少，减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量。
(3)质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子个数是不变的。
(2)在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒。
1．某核反应方程 。已知 的质量为2.013 6 u， 的质量为3.018 0 u， 的质量为4.002 6 u，X的质量为1.008 7u。则下列说法中正确的是（　　）
A．X是质子，该反应释放能量
B．X是中子，该反应释放能量
C．X是质子，该反应吸收能量
D．X是中子，该反应吸收能量
B
高中物理选择性必修第三册 第五章：原子核 第3 节:核力与结合能
2．关于原子核的结合能，下列说法正确的是(　　)
A．原子核的比结合能等于将其完全分解成自由核子所需能量的最小值
B．原子核衰变成α粒子和另一原子核，并释放出能量，衰变产物的结合能之和一定小于原来原子核的结合能
C．铯原子核( )的结合能小于铅原子核( )的结合能
D．比结合能越大，原子核越不稳定
C
高中物理选择性必修第三册 第五章：原子核 第3 节:核力与结合能
A
高中物理选择性必修第三册 第五章：原子核 第3 节:核力与结合能
4．一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出γ光子，核反应方程是 ，以下说法中正确的是(　 　)
A．反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和
B．反应前后的质量数不变，因而质量不变
C．反应前后质量数不变，但会出现质量亏损
D．γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度
ACD
高中物理选择性必修第三册 第五章：原子核 第3 节:核力与结合能
5．下列说法中，正确的是（　　）
A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化
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藏的能量的量度
C．核反应中发现的“质量亏损”是由静止质量变成运动质量
D．因为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
BC
高中物理选择性必修第三册 第五章：原子核 第3 节:核力与结合能
6．对于核力，以下说法正确的是（???????）
A．核力是弱相互作用，作用力很小
B．核力是强相互作用的表现，是强力
C．核子之间的距离小于0.8×10-15m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0.8×10-15m时核力的变化规律更清楚
BC
高中物理选择性必修第三册 第五章：原子核 第3 节:核力与结合能
BC
高中物理选择性必修第三册 第五章：原子核 第3 节:核力与结合能
8．用质子轰击锂核（ ）生成两个α粒子，以此进行有名的验证爱因斯坦质能方程的实验．已知质子初动能是0.6 MeV，质子、α粒子和锂核的质量分别是1.0073u、4.0015u和7.0160u．已知1 u相当于931.5 MeV，则下列叙述中正确的是（ ）
A．此反应过程质量减少0.010 3 u
B．生成的两个α粒子的动能之和是18.3 MeV，与实验相符
C．核反应中释放的能量是18.9 MeV，与实验相符
D．若生成的两个α粒子的动能之和是19.5 MeV，与实验相符
CD
高中物理选择性必修第三册 第五章：原子核 第3 节:核力与结合能

展开更多......

收起↑