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第3节 核力与结合能
第五章
人教版 选择性必修第三册
核力与四种基本相互作用
01
结合能
02
质量亏损
03
典例分析
04
新课导入
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？
难道是万有引力？
想一想
F库
中子
质子
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。
第三种力——核力
是核力把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。
做一做
核力与四种基本相互作用
PART 01
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。
核力的特点：
⑵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1.5×10-15m 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。
⑴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（比库仑力强137倍）。
⑶核力与电荷无关。（核力与核子电荷无关）
⑷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。
1、核力：
（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。
2、四种基本相互作用
（2）电磁相互作用
电荷间与磁体间的相互作用
弹力
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。
（3）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10-15m量级时起作用
（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
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
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
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
引起原子核β衰变的原因
3、四种基本相互作用的对比
【例题】关于核力的说法正确的是(　　)
A.核力同万有引力没有区别，都是物体间的作用
B.核力就是电磁力
C.核力是短程力，作用范围在1.5×m之内
D.核力与电荷有关
C
小试牛刀
【例题】(多选)关于四种基本相互作用，下列说法正确的是( 　　)
A．原子核中质子间的万有引力和电磁力可以达到平衡
B．核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大
C．弱相互作用是引起原子核β衰变的原因
D．强相互作用的力程大于弱相互作用的力程
CD
小试牛刀
结合能
PART 02
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
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
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？
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
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。
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。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。
(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。　
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，要吸收同样的能量。这个能量有多大？我们可能计算出来吗？
特别提醒
质量亏损
PART 03
原子分解为核子时，质量增加；核子结合成原子核时，质量减少。原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，叫做质量亏损。
（组成原子核的核子的质量之和与原子核的质量之差）
(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。
(1)质量亏损的同时以光子形式释放核能。
(2)在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒。
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。
1、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。
E＝mc2
ΔE＝Δmc2
2、爱因斯坦质能方程：
4、质能方程ΔE=Δmc2常用单位
（1） m用“u(原子质量单位)” 1u=1.660566×10-27kg
（2）ΔE用“uc2” 1uc2=931.5MeV（931.5兆电子伏）
(表示1u 的质量变化相当于931.5MeV的能量改变)
质能方程的本质：
①质量或能量是物质的属性之一，决不能把物质的质量和能量等同起来；
②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；
③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γ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。
【例题】已知中子的质量是mn=1.6749×10-27kg，质子的质量是mp=1.6726×10-27kg，氘核的质量是mD=3.3436×10-27kg，求氘核的比结合能.
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
Δm ＝（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
解析：
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。
从图象上看，哪一种原子的比结合能更大？
铁（Fe）原子的比结合能最大
铁（Fe）
原子比较稳定
核子结合成铁原子核或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大
两个比铁轻的原子核结合时，或比铁重的重核分裂时，都要放出能量
原子的比结合能随质量数的变化
议一议
【例题】(多选)原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的有(　　)
A.核的结合能约为14 MeV
B.He核比Li核更稳定
C.两个H核结合成He核时释放能量
D.92U核中核子的平均结合能比Kr核中的大
BC
小试牛刀
【例题】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
D
小试牛刀
典例分析
PART 03
(1)原子核中的质子是靠自身的万有引力聚在一起的。 (　 　)
(2)核力是强相互作用力，在原子核的尺度内，核力比库仑力大多得。 (　　)
(3)在原子核的组成中，质子数等于中子数。 (　　)
(4)原子核大到一定程度，原子核就不稳定了。 (　　)
(5)组成原子核的核子越多，它的结合能就越高。 (　　)
(6)结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定。 (　　)
×　
√　
×　
√　
√　
×　
判一判
【例题】 (多选)下列说法正确的是(　　 )
A.核力是短程力,作用范围很小,只在邻近核子间发生
B.核力可能是引力,也可能是斥力。核力把核子紧紧束缚在核内,形成稳定的原子核,但又不会融合在一起
C.质子间、中子间、质子和中子之间都可能有核力
D.核力是一种弱相互作用力,在其作用范围内,核力比库仑力大得多
ABC
小试牛刀
【例题】(多选)对结合能、比结合能的认识，下列正确的是( 　　)
A.一切原子核均具有结合能
B.自由核子结合为原子核时，可能吸收能量
C.结合能越大的原子核越稳定
D.比结合能越大的原子核越稳定
AD
小试牛刀
A
小试牛刀
【例题】下列说法正确的是(　　)
A．爱因斯坦的质能方程说明了物体质量就是能量，它们之间可以相互转化
B．由质能方程可知，能量与质量之间存在正比关系，可以用物体的质量作为它所含有的能量的量度
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，系统的总能量不守恒
B
小试牛刀
【例题】用速度大小为v的中子轰击静止的锂核(Li)，发生核反应后生成氚核和α粒子。生成的氚核速度方向与中子的速度方向相反，氚核与α粒子的速度之比为7∶8，中子的质量为m，质子的质量可近似看成m，光速为c。
⑴写出核反应方程；
⑵求氚核和α粒子的速度大小；
⑶若核反应过程中放出的核能全部转化为α粒子和氚核的动能，求出质量亏损。
小试牛刀
解析：
第3节 核力与结合能
人教版 选择性必修第三册

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