物理選修3-5 19.5 核力與結(jié)合能 LI

1、第十九章 原子核,19. 5 核力與結(jié)合能,原子核,質(zhì)子（帶正電,中子,統(tǒng)稱為核子,回顧：原子核的組成,思考：在原子核那樣狹小的空間里，帶正電的質(zhì)子為什么能夠擠在一起而不飛散？ 猜想：萬有引力？ 回顧,驗證： 間距r 數(shù)量級10-15m；質(zhì)量m 數(shù)量級10-27kg；電量q 數(shù)量級10-19C；引力常量G數(shù)量級10-11；靜電力常量 k 數(shù)量級109 。 結(jié)論：質(zhì)子間的電磁力是萬有引力的1035倍 核子不可能靠自身萬有引力抗衡庫侖斥力。 猜想：存在第三種力核力，是核力把核子束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核。 一、核力 1、定義：能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一起的強大的力叫做核力,2、特點 （1）.

2、核力是強相互作用（強力）的一種表現(xiàn)。在原子核尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多。 （2）. 核力是短程力。約在10-15m 數(shù)量級時起作用，距離大于0.810-15m時為引力, 距離為1010-15m 時核力幾乎消失，距離小于 0.810-15m 時為斥力，因此核子不會融合在一起。 （3）. 核力與電荷無關。核力與核子電荷無關。（見書本P79圖） （4）. 核力具有飽和性。每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，這種性質(zhì)稱之為核力的飽和性,3、四種相互作用 （1）.萬有引力：引力主要在宏觀和宇宙尺度上“獨領風騷”。是引力使行星繞恒星轉(zhuǎn)動，并且聯(lián)系著星系團，決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來。 （2）.電磁力：在原子核

3、外，電磁力使電子結(jié)合成分子，使分子結(jié)合成液體與固體。 電磁力和萬有引力都是“長程力”，即它們可以作用到無限遠的距離， （3）.強相互作用：原子核內(nèi)，強力將核子束縛在一起。 （4）.弱相互作用：弱相互作用是引起原子核衰變的原因，即引起中子質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是短程力（比強力更短），作用強度比電磁力小,自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對于較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)數(shù)，越重的元素，兩者相差越多,質(zhì)子數(shù),中子數(shù),理想的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)相等的穩(wěn)定原子核,實際存在的原子核,原因分析,核越大，核子間距離增大,庫侖力與核力均減少，但核力減少快,增大到一定程度時，核力較少，不足以平衡庫侖力

4、時，原子核會不穩(wěn)定,若增加中子，與其它核子無庫侖力，但有核力，有助于原子核穩(wěn)定,核力是短程力，若超過其作用范圍，增加中子，原子核也不穩(wěn)定，所以原子序數(shù)越大越不穩(wěn)定,二、原子核中質(zhì)子與中子的比例,由于核力的作用范圍是有限的，如果繼續(xù)增大原子核，一些核子間的距離會大到其間根本沒有核力的作用，這時即使再增加中子也無濟于事，這樣的核必然是不穩(wěn)定的。 在宇宙演化的進程中，各種粒子有機會進行各種組合，但那些不穩(wěn)定的組合很快就瓦解了，只有200多種穩(wěn)定的原子核長久地留了下來?，F(xiàn)在觀察到的天然放射性元素，則正在瓦解之中,模型分析 宏觀模型：相距很遠的兩個物體，由于萬有引力而相互接近，運動速度越來越大，引力勢能

5、轉(zhuǎn)化為動能最后撞在一起，動能變成它們的內(nèi)能散失。兩個物體為了結(jié)合而失去了一些能量，如果要把它們分開，還要重新賦予它們這份能量。 微觀模型：原子核是核子結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能。 類比分析：要使基態(tài)氫原子電離，也就是要從氫原子中把電子剝離，需要通過碰撞、施加電場、賦予光子等某種途徑讓它得到13.6eV 的能量。這個能量實際上就是電子與氫原子核的結(jié)合能，不過通常把它叫做氫原子的電離能，而結(jié)合能一詞只用在原子核中,由于核子間存在著強大的核力，所以核子結(jié)合成原子核或原子核分解為核子時，都伴隨著巨大的能量變化,可見，當核子結(jié)合成原子核時要放出一定能量；原子核分解成

6、核子時，要吸收同樣的能量這個能量叫做原子核的結(jié)合能,三、結(jié)合能,自然，原子核越大，它的結(jié)合能越高。因此，有意義的是它的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱作比結(jié)合能也叫平均結(jié)合能。比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定,比結(jié)合能,中等大小的核的比結(jié)合能最大（平均每個核子的質(zhì)量虧損最大），這些核最穩(wěn)定,從相對論得出，物體的能量和質(zhì)量之間存在如下密切聯(lián)系,四、愛因斯坦的質(zhì)能方程,表明：物體具有的能量與它的質(zhì)量之間存在著簡單的正比關系,把組成原子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差叫做核的質(zhì)量虧損,核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以要放出能量，大小為,五、質(zhì)量虧損,中子的質(zhì)量 =1.674910

7、27Kg 質(zhì)子的質(zhì)量 = 1.67261027Kg 中子和質(zhì)子的質(zhì)量和 = 3.34751027Kg 氘核的質(zhì)量 = 3.34361027Kg,質(zhì)量差m = 0.00391027Kg,質(zhì)量虧損,五、質(zhì)量虧損,例題：請計算一下方程左右的質(zhì)量變化,例題：請計算核反應釋放的能量,愛因斯坦的質(zhì)能方程：Emc2,五、質(zhì)量虧損,m= 0.00391027Kg,質(zhì)量虧損,E= mc2,0.003910-27(3108) 2J,3.5110-13 J,又1eV= 1.6010-19 J,E = 2.19106 eV= 2.19 MeV,質(zhì)量虧損表明：原子核內(nèi)的確存在著結(jié)合能,核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)的質(zhì)量虧損

8、m,比結(jié)合能為,中等大小的核的比結(jié)合能最大（平均每個核子的質(zhì)量虧損最大），這些核最穩(wěn)定,1、核子結(jié)合成原子核，新核質(zhì)量小于核子的質(zhì)量(質(zhì)量虧損)，同時以光子形式釋放核能; 原子核分解為核子時，需要吸收一定能量,核子的總質(zhì)量大于原原子核的質(zhì)量. 2、核反應過程中，質(zhì)量虧損時，核子個數(shù)不虧損(即質(zhì)量數(shù)守恒)，可理解為組成原子核后,核內(nèi)每個核子仿佛“瘦了”一些. 3、質(zhì)量虧損并非質(zhì)量消失，而是減少的質(zhì)量m以能量形式輻射(動質(zhì)量)，因此質(zhì)量守恒定律不被破壞,有關問題的理解和注意事項,4、國際單位： 常用單位: m用“u”(原子質(zhì)量單位) 1u=1.66056610-27kg， c=2.9979108m

9、/s，1eV=1.602210-19J E用“m c2”， 1u=931MeV (表示1u 的質(zhì)量變化相當于931MeV的能量改變) 5、核反應中釋放或吸收的能量比化學反應中釋放或吸收的能量大好幾個數(shù)量級,m用“kg”，c用“m/s”， E用“J,課后題1,從以下幾個方面比較核反應與化學反應的相同和不同之處 （1）它們分別涉及四種基本相互作用的哪一種？ （2）每種反應分別改變了或重新安排了什么,典例探究,反應后氘核的質(zhì)量一定小于反應前質(zhì)子和中子的質(zhì)量和 反應前后質(zhì)量數(shù)不變，因而質(zhì)量不變 核子結(jié)合成氘核時，一定釋放核能 光子具有的能量為 ，m為核反應中的質(zhì)量虧損,例2：中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，同時

10、釋放光子，核反應方程是 ,下列說法正確的是（,ACD,課后3,例3 碳原子質(zhì)量的 1/12 叫做原子質(zhì)量單位，用u 表示。試證明1u 相當于931 MeV,證明： 碳原子的摩爾質(zhì)量為M=12g/mol，所以一個碳原子質(zhì)量為m=M/NA=1.99310-26kg 所以1u=m/12=1.660610-27kg 代入公式E=mc2得： E=1.492410-10J=931MeV,例題: （原子量為232.0372）衰變?yōu)?（原子量為228.0287）時，釋放出粒子 （ 的原子量為4.0026）。寫出衰變方程，并且計算衰變過程中釋放的能量,解,衰變方程,衰變后的質(zhì)量虧損,232.0372u(222.0287u+4.0026u)= 0.0059u,釋放的能量,0.0059931.5MeV=5.