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第五章 原子核与核能
第3节 核力与核能
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？
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。
把原子核中的核子维系在一起的力，称为核力
1.核力：
2.力程：
力的作用范围称为力程。
3.核力的特点：
（1）核力是短程力，只在2fm的范围内起作用，不能延伸到另一个原子核(3fm)；1fm=10-15m
（2）当两核子间的距离减小时，核力迅速小，到一定值时，核力表现为斥力；
（3）核力是一种强相互作用。
一、核力与核的稳定性
核素：指具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子核
核素图
稳定的核素
①稳定的核素几乎都在一条曲线上，或靠紧曲线两侧。
②较轻的核素，N=Z；较重的核素N>Z，且越重差距越大。
为什么会这样呢？
核子数越多，核越大，核力就会越小，且质子与电子的库仑力越大，要稳定只有增多中子的数目来增大核力抵消库仑力。
4.核的稳定性
二、四种基本相互作用
引力相互作用
是所有物体之间都存在的一种相互作用。日常生活中的物体和微观粒子，它们之间的引力非常微弱，可忽略不计。但对于质量较大的天体，引力则是它们之间的主要作用力。
电磁相互作用
电磁相互作用是电荷间、磁体间或电荷与磁体间的相互作用。摩擦力、弹力等接触力都是大量原子、分子之间电磁相互作用的宏观表现。
能在宏观世界里显示其作用，二者是长程力
强相互作用
弱相互作用
是短程力，作用范围在原子核尺度内。核子间的核力是由强相互作用引起的，质量数相同的不同原子核之间的转换就是由弱相互作用引起的。
按由强到弱排列：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。
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
三、结合能与平均结合能
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
当光子能量等于或大于2.19MeV时，
这个反应才会发生
一个质子和一个中子结合成氘核，
要放出2.19MeV的能量
原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，
也需要能量，这就是原子核的结合能。
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
1.结合能
n+H→H+γ
H+γ→H+n
实验发现，任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和，这一差值称为质量亏损。
2. 质量亏损
E = mc2
ΔE=Δmc2
质量变化时，表达式为：
Δm为核反应前和核反应后的质量亏损，质量亏损Δm的单位为kg。
爱因斯坦质能方程
例题：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＝3.3436×10-27kg。写出中子、质子结合成氘核的核反应方程并求氘核的结合能。
核反应方程为
中子和质子结合成氘核的质量亏损
中子和质子结合成氘核释放的能量，即氘核的结合能：
核物理中常用eV作为能量单位，根据1eV＝1.60×10-19J，可得氘核的结合能
迁移：原子核的质量单位，通常会用原子质量单位u表示，1u＝1.6605×10-27kg。请证明质量亏损1u将释放931.5 MeV的核能。
钚核发生α衰变，其核衰变方程为 。已知钚核的质量为239.0522u，铀核的质量为235.0439u，氦核的质量为4.0026u。请根据上述结论，计算该衰变过程中释放的核能。
用eV作为能量单位
钚核发生α衰变过程质量亏损
结合能与核子数之比，称为比结合能。也叫平均结合能。
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。
猜想：结合能越大原子核是不是越难被拆散？
即：结合能的大小能不能反映原子核的稳定程度？
3.比结合能
1、重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能小。
重核容易裂变为中等质量的核而释放出能量。
2、轻核的平均结合能比稍重的核的平均结合能小。
轻核如果聚变为中等质量的核也要释放能量。
分析
D
1. 氦原子核由两个质子与两个中子组成，这两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则3种力从大到小的排列顺序是（　　）
A.核力、万有引力、库仑力
B.万有引力、库仑力、核力
C.库仑力、核力、万有引力
D.核力、库仑力、万有引力
2. (多选)原子核的比结合能曲线如图所示，根据该曲线，下列判断中正确的有（　 　）
A. 核的结合能约为14 MeV
B. 核比核更稳定
C. 两个核结合成核时释放能量
D. 核的比结合能比的大
BC
3. 在某些恒星内，3个粒子结合成1个原子，原子的质量是，原子的质量是。已知，则下列描述错误的是( )
A. 反应过程中的质量亏损是
B. 反应过程中的质量亏损是
C. 反应过程中释放的能量是
D. 反应过程中释放的能量是
D
4.已知中子的质量mn为1.6749×10-27 kg，质子的质量mp为1.6726 × 10-27 kg，氘核的质量mD为3.343 6 × 10-27 kg，求氘核的比结合能。
单个的质子 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
解：
在核物理中，能量单位常常使用电子伏特(eV)，即
所以，氘核的结合能是
氘核的比结合能为
核力与结合能
核力与四种基本相互作用
比结合能（平均结合能）
=结合能÷核子数
强相互作用-核力
质能方程：
结合能
与平均结合能
弱相互作用
万有引力
电磁力
结合能：原子核分解成核子时所吸收的能量，也是核子结合成原子核而释放的能量。

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