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第五章 原子核与核能
第3节 核力与核能
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。
原子核由质子和中子组成
质子带正电，中子不带电，电子带负电
质子和电子的库仑力远大于中子与质子的万有引力
为什么质子和中子还能紧紧吸引在一起而不分离？
猜想：
是不是有一种力将质子和中子限制在10-15m的区域内？
1.核力：把原子核中的核子维系在一起的力（强相互作用，也叫强力）
1质子+2中子→
←2质子+1中子
一、核力与核的稳定性
2.特点：
(1)核力是强相互作用的一种表现。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。
(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 。
(5)核素:具有一定质子数和中子数的原子核称为核素
3.核素图
稳定的核素几乎全落在一条曲线上,或紧靠曲线的两侧这个区域称为核素的稳定区。
①对于较轻的核,核素的稳定区与N=Z重合,说明N=Z的核素比较稳定。
②当N、Z增大到一定数值后,稳定区逐渐向N>Z的方向偏离。随着质子数的增加,稳定核素的中子数越来越大于质子数。
二、四种基本相互作用
1.引力相互作用：引力主要在宏观和宏观尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕着恒星转,并且联系着星系团,决定着宇宙的现状。万有引力是长程力。
2.电磁相互作用：电磁力在原子核外,电磁力使电子不脱离原子核而形成原子,使原子结合成分子,使分子结合成液体和固体。
3.强相互作用：在原子核内,强相互作用将核子束缚在一起,强力是短程力。
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,作用强度则比电磁力小。
p
n
n
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
→ 引力势能
→ 动能
→ 内能
损失能量
补充能量
自由核子形成原子核所释放的能量，或者原子核重新分为自由核子，需要吸收的能量，叫做原子核的结合能。
损失能量
两很远的物体
1. 结合能
三、结合能与平均结合能
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？
结合能的大小不能反映原子核的稳定程度
思考：如何才能反映原子核的稳定程度？
（1）定义：结合能与核子数之比，称做为比结合能。也叫平均结合能。
（2）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。
2. 比结合能
比结合能=结合能核子数
?
（3）原子核的比结合能随质量数的变化曲线（实验数据）
1.中等大小的核比结合能最大
2.中等大小的核平均每个核子的
质量亏损最大
3.中等大小的核最稳定
3.质量亏损
(1) 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)爱因斯坦质能方程与结合能的计算:
爱因斯坦质能方程E=mc2
核子结合成原子核时释放的结合能为ΔE=Δmc2,其中Δm为质量亏损。
质 能 方 程
E = m c2
↓
能量
↓
质量
↓
光速
对质能方程E＝mc2的理解
(1)质能方程E＝mc2说明一定的质量总是跟一定的能量相联系。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，E不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。
(2)根据质能方程E＝mc2，物体的总能量与其质量成正比。物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少。
(3)根据质能方程ΔE＝Δmc2，核反应过程中发生的质量亏损，并不是消失了，减少的质量Δm在核子结合成原子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。
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
1.下列说法不正确的是(　　)
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
D
2.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
3.静止的氡核86222????????放出α粒子后变成钋核84218????????，α粒子动能为????????????。若衰变放出的能量全部变为反冲核和α粒子的动能，真空中的光速为c，则该反应中的质量亏损为（　　）
A.4218·????????????????2　　　B.0　　　C.222218·????????????????2　　　D.218222·????????????????2
?
C
(1)写出铀核的衰变反应方程；
(2)算出该衰变反应中释放出的核能；
(3)若释放的核能全部转化为新核的动能，则α粒子的动能为多少？
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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