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§3 核力与结合能
第五章 原子核
目录
CONTENTS
核力与四种基本相互作用
01
质量亏损
结合能
03
02
思考与讨论：
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？
核力与四种基本相互作用
01
一、核力与四种基本相互作用
1.核力（强相互作用）：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。
特点：
与万有引力和电磁力不同，距离增大时，强相互作用急剧减小，它的作用范围只有约10-15m，即原子核的大小，超过这个界限，这种相互作用实际上已经不存在了，它是短程力。这样，万有引力、电磁力和强相互作用分别在不同的尺度上发挥了作用。
（1）万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，决定了宇宙的现状和未来。
（3）强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。
（2）电磁力：在原子核外，电磁力使电子和原子核结合成分子，使分子结合成液体与固体。电磁力和万有引力都是“长程力”，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小
（4）弱相互作用：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。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为10－18m，作用强度则比电磁力小。
一、核力与四种基本相互作用
2.四种基本相互作用
结合能
02
二、结合能
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？
思考与讨论：
1.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，要吸收同样的能量。这个能量叫做原子核的结合能。
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。
2.结合能大小的因素：
二、结合能
1.比结合能：原子核的结合能与核子数之比称为比结合能，也叫平均结合能。
2.注意：核子结合成原子核时，平均每个核子所释放的结合能，它也等于把原子核拆散成每个核子时，外界提供给每个核子的平均能量。
比结合能
结合能
核子数
=
3.意义：它反映了一个原子核稳定程度。比结合能越大，原子核越稳定。
二、结合能
二、结合能
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。
4.不同原子核的比结合能图像：
质量亏损
03
1.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。
三、质量亏损
2.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
【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.
解析：
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
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：
氘核的比结合能为：
3.质能方程ΔE= mc2 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)
三、质量亏损
思考：将一个质子和一个中子结合成一个氘核，能量减小了，是否违反了能量守恒定律？为什么？
没有违反能量守恒定律；减小的这部分能量以γ光子释放出去。
思考：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？
没有违反质量守恒定律；减小的那部分质量等于γ光子的动质量。
三、质量亏损
思考：根据质能方程，能否认为质量和能量可以相互转化？
三、质量亏损
(1)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；
(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；
课堂练习
04
1．对原子核的组成，下列说法正确的是（　　）A．核力可使一些中子组成原子核B．核力可使较多的质子组成原子核C．不存在只有质子的原子核D．质量较大的原子核内一定有中子
D
【答案】D【详解】A．由于原子核带正电，不存在只有中子的原子核，故A错误；B．核力不能把较多的质子集聚在一起组成原子核，因为核力是短程力，质子这间还存在“长程力”—库仑力，故B错误；C．自然界中存在只有一个质子的原子核即 ，故C错误；D．较大质量的原子核内只有存在一些中子，才能消弱库仑力，维系原子核的稳定，故D正确。故选D。
2．下列说法正确的是（　　）A．结合能越大的原子核一定越稳定B．核力存在于原子核内任意两个核子之间C．发生链式反应的一个条件是铀块的体积必须达到临界体积D．一个原子核发生一次α衰变，新核相对于原来的原子核，质量数和电荷数都减少2
C
【答案】C【详解】A．影响原子核稳定性的是比结合能，故A错误；B．核力是短距力，两个核子需要处在一定距离内才会有核力，故B错误；C．铀块的体积必须达到临界体积才能发生链式反应，故C正确；D．一个原子核发生一次α衰变，新核相对于原来的原子核，质量数减少4和电荷数减少2，故D错误。故选C。
3．原子核的平均结合能与质量数之间的关系图线如图所示，下列说法正确的是（　　）
B
4．1932年，考克饶夫和瓦尔顿用质子加速器进行人工核蜕变实验，验证了质能关系的正确性。在实验中，锂原子核俘获一个质子后成为不稳定的铍原子核，随后又蜕变为两个原子核，核反应方程为 。已知 、 、X的质量分别为m1=1.007 28u、m2=7.016 01u、m3=4.001 51u，其中u为原子质量单位，1u=931.5MeV/c2（c为真空中的光速）则在该核反应中（　　）A．铍原子核内的中子数是3 B．X表示的是氚原子核
D
【答案】D【详解】A．根据质量数与电荷数守恒有A=7+1=8，Z=3+1=4则铍原子核内的中子数是8-4=4故A错误；B．根据质量数与电荷数守恒可知，X的质量数为4，电荷数为2，可知X表示的是氦原子核，故B错误；
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