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高二物理（人教版2019）
选择性必修 第三册
第五章 原子核
5.3 核力和结合能
CONTENTS
01
核力与四种基本相互作用
02
结合能
03
质量亏损
04
目录
典型例题
典例分析
猜想：难道是万有引力？库仑力？
F库
中子
质子
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？
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。
01
核力与四种基本相互作用
原子核
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。
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）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。
一、核力与四种基本相互作用
2.四种基本相互作用
（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。
2.四种基本相互作用
（2）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。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。
（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。
短程力：约在10-15m量级时起作用
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
（4）弱相互作用
02
结合能
原子核
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：
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
1. 结合能：核子结合成原子核时释放的能量，或原子核分解成核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能.
注意：组成原子核的核子越多，它的结合能越大。
2.比结合能：原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫作平均结合能。
注意：比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，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。
★★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。
(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
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？
03
质量亏损
原子核
爱因斯坦
物体的能量和质量之间存在密切的联系
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。
1.爱因斯坦质能方程：E＝mc2 （ΔE＝Δmc2）
E＝mc2
ΔE＝Δmc2
【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：
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。
说明：
(1) 质量亏损表明原子核存在结合能
(2) 质量不是能量、能量也不是质量，质量不能转化能量，能量也不能转化质量，质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。
(3) 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。
(4) 质量亏损并非质量消失，而是减少的质量 m以能量形式辐射出去了，因此质量守恒定律不被破坏。
(1)物体的质量包括静止的质量和运动的质量.质量亏损指的是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量.
(2)核反应中释放的核能是由于核力做功引起的。
特别提醒
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)
2.原子核的比结合能随质量数的变化曲线（实验数据）
如果使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等大小的核，核子的比结合能都会增加，即核子将发生新的质量亏损，释放新的结合能。这些能量岂不是可以供人使用
核电站、原子弹
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。
核子平均质量
思维导图
04
典例分析
原子核
『判一判』
(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。 (　　)
×　
√　
×　
√　
√　
×　
解析：
A
【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。
解析：
1、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
2、下列关于结合能和比结合能的说法正确的是(　　)
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
3、(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
4、(2017·全国卷Ⅰ)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是：。已知的质量为2.013 6 u， 的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u，1 u＝931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为(　　)
A.3.7 MeV B.3.3 MeV
C.2.7 MeV D.0.93 MeV
B
小试牛刀
5、(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

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