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(共35张PPT)
5.3 核力与结合能
高中物理选择性必修第三册课件
主讲老师：xxx
高中物理选择性必修第三册
核力与四种基本相互作用
结合能
质量亏损
巩固提升
学习目标
00.
高中物理选择性必修第三册
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。
问题？
00.
高中物理选择性必修第三册
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
第一部分
四种相互作用
01.
高中物理选择性必修第三册
现代物理学认为，自然界存在着四种基本相互作用，即引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。自然界中的各种力，都可以归结为这四种相互作用。
引力相互作用
02.
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17世纪下半叶，人们发现了万有引力。正是万有引力把行星和恒星聚在一起（图），组成太阳系、银河系和其他星系。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。
电磁相互作用
03.
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19世纪后，人们逐渐地认识到，电荷间的相互作用、 磁体间的相互作用，从本质上说是同一种相互作用的不同 表现，这种相互作用称为电磁相互作用（electromagnetic interaction）或电磁力。
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。
强相互作用
04.
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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（图）。这种作用称为强相互作用（stronginteraction）。
核力有什么特点呢？
核力
05.
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3.核力具有饱和性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。
4.核力具有电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。
2.核力是短程力。约在 10-15m量级时起作用，距离大于0.8×10-15m时为引力, 距离为10×10-15m时核力几乎消失，距离小于0.8×10-15m时为斥力。
1.核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。
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弱相互作用
06.
19世纪末20世纪初，物理学家发现了放射现象。后来发现，在某些放射现象中起作用的还有另一种基本相互作用，称为弱相互作用（weak interaction）。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，其力程比强相互作用更短，只有10-18 m。
四种基本相互作用
07.
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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
结合能
第二部分
对比思考
01.
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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。
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。
思考与讨论
02.
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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？
结合能
03.
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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（bindingenergy）。这个能量也是核子结合成原子核而释放的能量。
思考1：结合能的大小能不能反映原子核的稳定程度？
思考2：如何才能反映原子核的稳定程度？
比结合能
04.
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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。
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。
比结合能曲线
05.
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不同原子核的比结合能是不一样的。从图中可看出，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小。
不同原子核的比结合能随质量数变化的图线如图所示。
质量亏损
第三部分
质量亏损
01.
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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。
核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm，正表明它们在互相结合过程中放出了能量。
爱因斯坦质能方程
02.
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爱因斯坦质能方程 ： E=mc2 （ ΔE=Δm·c2）
式中c是真空中的光速，m是物体的质量，E是物体的能量。
常用单位: m用“u (原子质量单位)” 1u=1.660566×10-27kg
1uc2=931MeV (表示1u 的质量变化相当于931Me V的能量改变)
爱因斯坦质能方程的理解
03.
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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。
教材例题
04.
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【例题】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
解：
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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
教材例题
05.
与这个质量差相对应的能量为
总结提升
第四部分
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课堂小结
01
引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用
核力与四种基本相互作用
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。
质量亏损
02
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（bindingenergy）
结合能
ΔE=Δm·c2
结合能与核子数之比，称做为比结合能。也叫平均结合能。
例题1
例题精选
01.
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【参考答案】CD
（多选）下列关于四种基本相互作用的说法正确的是（　　）
A．万有引力把行星、恒星等聚在一起形成太阳系、银河系和其他星系，故万有引力只存在于天体之间
B．四种基本相互作用是独立存在的，有一种相互作用存在时，就一定不存在其他相互作用
C．强相互作用和弱相互作用只存在于微观粒子之间
D．四种基本相互作用的规律有很多相似之处，因此科学家可能建立一种“统一场论”将四者统一起来
解析
例题解析
02.
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【解析】A．宇宙万物任何两个物体之间都存在着相互作用的吸引力，这种引力叫做万有引力，故A错误；B．四种基本相互作用的规律既是独立的，又是统一的，有一种相互作用存在时，还可以存在其它相互作用，故B错误；C．强相互作用存在于原子核内，作用范围在1.5×10-15m之内，弱相互作用力是微观粒子之间的一种作用力，作用距离约10-18m，强相互作用和弱相互作用是短程力，只存在于微观粒子之间；故C正确；D．四种基本相互作用的规律既是独立的，又是统一的，四种基本相互作用的规律有很多相似之处，因此，科学家可能建立一种“统一场论”将四者统一起来，故D正确。故选CD。
例题2
例题精选
03.
高中物理选择性必修第三册
【参考答案】B
目前放射性元素镅应用广泛，是火灾自动报警器等设备内重要的放射源，其衰变方程为，已知核的质量为m1，核的质量为m2，X的质量为m3，真空中的光速为c，下列说法正确的是（　　）
A．的比结合能大于的比结合能
B．X为α粒子，衰变释放的能量，不是的结合能
C．X为α粒子，钼的衰变会随环境温度降低逐渐变慢
D．衰变后核核外电子处于高能级，向低能级跃迁发出γ射线
解析
例题解析
04.
高中物理选择性必修第三册
【解析】A．衰变后的核比核更稳定，比结合能越大原子核越稳定，则的比结合能小于的比结合能，故A错误；
BC．根据核反应过程满足质量数和电荷数守恒可知，X为α粒子（）；根据质能方程可知衰变释放的能量为
该能量为衰变释放的能量，不是的结合能；半衰期与原子所处环境无关，温度变化不会改变原子核的半衰期，故B正确，C错误；
D．衰变后核处于高能级，向低能级跃迁发出γ射线，故D错误。故选B。
例题3
例题精选
05.
高中物理选择性必修第三册
【参考答案】B
如图1所示为原子核的比结合能与质量数的关系曲线，如图2所示为原子核的平均核子质量与原子序数的关系曲线。下列说法正确的是（　　）
A．根据图1可知，核的结合能约为7MeV
B．根据图1可知，比更稳定
C．根据图2可知，核D裂变成核E和F的过程中，
生成的新核E、F的比结合能减小
D．根据图2可知，若A、B能结合成C，则结合过程中一定要吸收能量
解析
例题解析
06.
高中物理选择性必修第三册
【解析】A．根据图1可知，核的比结合能约为7MeV，则核的结合能约为A错误；B．根据图1可知，核的比结合能比核的比结合能小，所以比更稳定，B正确C．根据图2可知，核D裂变成核E和F的过程中，核子的平均质量减少，放出核能，比结合能增大，C错误；D．根据图2可知，若A、B能结合成C，核子的平均质量减少，结合过程一定要放出能量，D错误。故选B。
例题4
例题精选
07.
高中物理选择性必修第三册
宇宙射线进入地球大气时，同大气作用产生中子，中子撞击大气中的引发核反应产生。已知中子质量为，质子质量为质量为质量为，真空中光速为。
(1)写出该核反应方程并求出一次反应释放的能量；
(2)求的比结合能。
解析
例题解析
08.
高中物理选择性必修第三册
【答案】(1)(2)
【解析】（1）根据核反应前后质量数守恒、电荷数守恒，可得该核反应方程为
根据质量能方程，该核反应一次反应释放的能量
（2）由7个质子和7个中子构成，把分解成单个核子需要吸收的能量（结合能）为
比结合能是结合能与核子数之比，所以其比结合能
THANKS
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