195修改3《核力與結(jié)合能》

1、19.519.5核力與結(jié)合能核力與結(jié)合能教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) v1、知識與技能、知識與技能v（1）知道核力的概念、特點及自然界存在的四種基本相互作用；v（2）知道穩(wěn)定原子核中質(zhì)子與中子的比例隨著原子序數(shù)的增大而減??；v（3）理解結(jié)合能的概念，知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損；v（4）知道愛因斯坦的質(zhì)能方程，理解質(zhì)量與能量的關(guān)系。v2、過程與方法、過程與方法v（1）會根據(jù)質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的概念計算核反應(yīng)中釋放的核能；v（2）培養(yǎng)學(xué)生的理解能力、推理能力、及數(shù)學(xué)計算能力。v3、情感、態(tài)度與價值觀、情感、態(tài)度與價值觀v（1）使學(xué)生樹立起實踐是檢驗真理的標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)理論對實踐有著指導(dǎo)和預(yù)見作用的能力；v（2）認(rèn)識開

2、發(fā)和利用核能對解決人類能源危機的重要意義。v教學(xué)重點：教學(xué)重點：質(zhì)量虧損及愛因斯坦的質(zhì)能方程的理解。v教學(xué)難點：教學(xué)難點：結(jié)合能的概念、愛因斯坦的質(zhì)能方程、質(zhì)量與能量的關(guān)系。v教學(xué)方法：教學(xué)方法：教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。v教學(xué)用具：教學(xué)用具：多媒體教學(xué)設(shè)備一套：可供實物投影、放像、課件播放等。原子核的組成原子核的組成 原子核是由原子核是由 和和 組成的，組成的，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為 電荷數(shù)電荷數(shù) 質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù) 質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù) 中子數(shù)中子數(shù) 核子數(shù)核子數(shù) 質(zhì)子質(zhì)子中子中子核子核子=+=復(fù)習(xí)回顧復(fù)習(xí)回顧 原子核的半徑約為原子核的半徑約為1010-15-15m , m

3、, 只相當(dāng)原子半徑的萬分之一。只相當(dāng)原子半徑的萬分之一。在這么小的空間里帶正電的質(zhì)在這么小的空間里帶正電的質(zhì)子與質(zhì)子間的庫侖斥力是很大，子與質(zhì)子間的庫侖斥力是很大，萬有引力太小，只有庫侖力的萬有引力太小，只有庫侖力的1010-36-36。而通常原子核是穩(wěn)定的。而通常原子核是穩(wěn)定的, ,于是核內(nèi)還應(yīng)有另一種力把各于是核內(nèi)還應(yīng)有另一種力把各種核子緊緊拉在一起種核子緊緊拉在一起, , 此力稱此力稱為核力。為核力。核力核力mpmp庫侖力庫侖力庫侖力庫侖力萬萬有有引引力力 核子靠什么力結(jié)合成原子核？核子靠什么力結(jié)合成原子核？核力：能夠把核中的各種核子緊緊地核力：能夠把核中的各種核子緊緊地束縛在核內(nèi)的束縛

4、在核內(nèi)的相鄰核子相鄰核子間強大的力叫間強大的力叫做核力做核力核力具有怎樣的特點呢？核力具有怎樣的特點呢？一、核力：一、核力： 2. 2. 核力是短程力。約在核力是短程力。約在 1010-15-15m m量數(shù)級時起作用，距量數(shù)級時起作用，距離大于離大于0.80.81010-15-15m m時為引力時為引力, , 距離為距離為10101010-15-15m m時核力時核力幾乎消失，距離小于幾乎消失，距離小于0.80.81010-15-15m m時為斥力。時為斥力。 3. 3. 核力具有飽和性。核子只對相鄰的少數(shù)核子產(chǎn)核力具有飽和性。核子只對相鄰的少數(shù)核子產(chǎn)生較強的引力，而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用

5、。生較強的引力，而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用。 4. 4. 核力具有電荷無關(guān)性。對給定的相對運動狀態(tài)，核力具有電荷無關(guān)性。對給定的相對運動狀態(tài)，核力與核子電荷無關(guān)。核力與核子電荷無關(guān)。 要真正了解核子間的相互作用還要考慮核子的組成要真正了解核子間的相互作用還要考慮核子的組成物物夸克的相互作用?？淇说南嗷プ饔?。 1. 1. 核力是四種相互作用中的強相互作用（強力）核力是四種相互作用中的強相互作用（強力）的一種表現(xiàn)。的一種表現(xiàn)。 1. 1. 核力是四種相互作用中的強相互核力是四種相互作用中的強相互作用（強力）的一種表現(xiàn)。作用（強力）的一種表現(xiàn)。2. 2. 核力是短程力核力是短程力作用范圍在作用范圍

6、在1.51.5 1010-15-15m m之內(nèi)之內(nèi)距離為距離為1.51.51010-15-15m m時核力幾乎消失時核力幾乎消失距離大于距離大于0.80.81010-15-15m m時為引力時為引力, ,且隨距離且隨距離的增大而減小的增大而減小 距離小于距離小于0.80.81010-15-15m m時為斥力時為斥力因此，核子不會融合在一起因此，核子不會融合在一起3. 3. 核力具有飽和性。核力具有飽和性。核子只對核子只對相鄰的相鄰的核子產(chǎn)生較強的引力，而不核子產(chǎn)生較強的引力，而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用。是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用。 4. 4. 核力具有電荷無關(guān)性。核力具有電荷無關(guān)性。在原子核中

7、，相鄰質(zhì)子與質(zhì)子、中子與中子、在原子核中，相鄰質(zhì)子與質(zhì)子、中子與中子、質(zhì)子與中子間都有核力質(zhì)子與中子間都有核力除核力外原子核內(nèi)還存在弱相互作用除核力外原子核內(nèi)還存在弱相互作用（弱力）（弱力）衰變?nèi)跸嗷プ饔靡彩嵌坛塘?，力程比強力更短，弱相互作用也是短程力，力程比強力更短，為?0101818m m，作用強度則比電磁力小。，作用強度則比電磁力小。弱力是引起中子質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因弱力是引起中子質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因四種基本相互作用：四種基本相互作用： 引力引力相互作用相互作用 電磁電磁相互作用相互作用 強強相互作用相互作用 弱弱相互作用相互作用二、原子核中質(zhì)子與中子的比例二、原子核中質(zhì)子與中子的比例二、原子核中

8、質(zhì)子與中子的比例二、原子核中質(zhì)子與中子的比例自然界中較輕的原子自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對于較大致相等，但對于較重的原子核，中子數(shù)重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多。元素，兩者相差越多。為什么會這樣呢？為什么會這樣呢？二、原子核中質(zhì)子與中子的比例二、原子核中質(zhì)子與中子的比例較輕的原子核較輕的原子核質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等較重的原子核較重的原子核中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)越重的原子核越重的原子核，兩者相差越多兩者相差越多質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)中子數(shù)為什么？為什么？核越來越大，有些核子間的距離越來越

9、遠。核越來越大，有些核子間的距離越來越遠。隨著隨著距離的增加，核力與電磁力都會減小，但核力減距離的增加，核力與電磁力都會減小，但核力減小得更快小得更快。所以，原子核大到一定程度時，相距。所以，原子核大到一定程度時，相距較遠的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖較遠的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個原子核就不穩(wěn)定了。這時，如果不再成力，這個原子核就不穩(wěn)定了。這時，如果不再成對地增加核子，而只增加中子，中子與其他核子對地增加核子，而只增加中子，中子與其他核子沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，有助于維沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，有助于維系原子核的穩(wěn)定。由于這個原因，穩(wěn)定的重原子系原

10、子核的穩(wěn)定。由于這個原因，穩(wěn)定的重原子核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。 由于核力的作用范圍是有限的，如果繼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)加中子也無濟于事，這樣的核必然是不穩(wěn)定的。定的。 在宇宙演化的進程中，各種粒子有機會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)定的組合很快進行各種組合，但那些不穩(wěn)定的組合很快就瓦解了，只有就瓦解了，只有200200多種穩(wěn)定的原子核長多種穩(wěn)定的原

11、子核長久地留了下來?，F(xiàn)在觀察到的天然放射性久地留了下來。現(xiàn)在觀察到的天然放射性元素，則正在瓦解之中。元素，則正在瓦解之中。某一數(shù)值時某一數(shù)值時某一數(shù)值時某一數(shù)值時相同相同三、結(jié)合能三、結(jié)合能三、結(jié)合能三、結(jié)合能用高能量的光子照射氘核，可以使氘核分解用高能量的光子照射氘核，可以使氘核分解為質(zhì)子和中子為質(zhì)子和中子211110HHn實驗表明，當(dāng)光子能量小于某一值時，這個反應(yīng)實驗表明，當(dāng)光子能量小于某一值時，這個反應(yīng)并不發(fā)生。只有當(dāng)光子能量大于或等于某一值時，并不發(fā)生。只有當(dāng)光子能量大于或等于某一值時，這個反應(yīng)才會發(fā)生。這個反應(yīng)才會發(fā)生。相反的過程，一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成一個氘相反的過程，一個質(zhì)子和

12、一個中子結(jié)合成一個氘核，要放出相同的能量，這個能量以核，要放出相同的能量，這個能量以112101光子的形式輻射出去H+ nH+ 由于核子間存在著強大的核力，所以核子結(jié)合成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原子核或原子核分解為核子時，都伴隨著巨大的能量變化變化 112011211110nHHHHn例如： 可見，當(dāng)核子結(jié)合成原子核時要放出一定能量；可見，當(dāng)核子結(jié)合成原子核時要放出一定能量；原子核分解成核子時，要吸收同樣的能量這個能原子核分解成核子時，要吸收同樣的能量這個能量叫做原子核的結(jié)合能量叫做原子核的結(jié)合能三、結(jié)合能三、結(jié)合能 結(jié)合能并不是

13、由于核子結(jié)合成原子核而具有結(jié)合能并不是由于核子結(jié)合成原子核而具有的能量，的能量，而是為把核子分開而需要的能量。而是為把核子分開而需要的能量。 比結(jié)合能：比結(jié)合能：結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做為比結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做為比結(jié)合能。也叫平均結(jié)合能。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。固，原子核越穩(wěn)定。三、結(jié)合能三、結(jié)合能原子核越大，它的結(jié)合能越高。因此，有意義的是它的結(jié)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，稱作合能與核子數(shù)之比，稱作比結(jié)合能比結(jié)合能，也叫，也叫平均結(jié)合能平均結(jié)合能。中

14、等大小的中等大小的核的比結(jié)合能核的比結(jié)合能最大最大比結(jié)合能越大，比結(jié)合能越大，表示原子核中表示原子核中核子結(jié)合得越核子結(jié)合得越牢固，原子核牢固，原子核越穩(wěn)定。越穩(wěn)定。 比結(jié)合能：比結(jié)合能：=結(jié)合能比結(jié)合能核子數(shù)四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損HHn211110組成原子核的核子質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差組成原子核的核子質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差中子的質(zhì)量中子的質(zhì)量 =1.6749=1.674910102727Kg Kg 質(zhì)子的質(zhì)量質(zhì)子的質(zhì)量 = 1.6726= 1.672610102727Kg Kg 中子和質(zhì)子的質(zhì)量和中子和質(zhì)子的質(zhì)量和 = 3.3475= 3.347510102727Kg Kg 氘核的質(zhì)量氘核

15、的質(zhì)量 = 3.3436= 3.343610102727Kg Kg -27=0.0039 10mkg質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損1 1、例題：、例題：中子的質(zhì)量中子的質(zhì)量 =1.6749=1.674910102727Kg Kg 質(zhì)子的質(zhì)量質(zhì)子的質(zhì)量 = 1.6726= 1.672610102727Kg Kg 中子和質(zhì)子的質(zhì)量和中子和質(zhì)子的質(zhì)量和 = 3.3475= 3.347510102727Kg Kg 氘核的質(zhì)量氘核的質(zhì)量 = 3.3436= 3.343610102727Kg Kg 質(zhì)量差質(zhì)量差 = 0.0039= 0.003910102727Kg Kg HHn211110四、質(zhì)量虧損四

16、、質(zhì)量虧損2 2、質(zhì)量虧損：原子分解為核子時，質(zhì)量、質(zhì)量虧損：原子分解為核子時，質(zhì)量增加；核子結(jié)合成原子核時，質(zhì)量減少。增加；核子結(jié)合成原子核時，質(zhì)量減少。原子核的質(zhì)量小于組成原子核的核子的原子核的質(zhì)量小于組成原子核的核子的質(zhì)量之和，叫做質(zhì)量虧損。質(zhì)量之和，叫做質(zhì)量虧損。1 1、例題：、例題：E=mcE=mc2 2式中式中c c是真空中的光速，是真空中的光速，m m是物體的質(zhì)量，是物體的質(zhì)量，E E是物體的能量。是物體的能量。 核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)的質(zhì)量虧損核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)的質(zhì)量虧損mm，正表明它們在互相結(jié)合過程中放出了能量正表明它們在互相結(jié)合過程中放出了能量 E=mE=mc c2

17、 2 五、愛因斯坦質(zhì)能方程五、愛因斯坦質(zhì)能方程 愛因斯坦的相對論指出：物體的能量和質(zhì)量愛因斯坦的相對論指出：物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系：之間存在著密切的聯(lián)系：四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損HHn211110組成原子核的核子質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差組成原子核的核子質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差中子的質(zhì)量中子的質(zhì)量 =1.6749=1.674910102727Kg Kg 質(zhì)子的質(zhì)量質(zhì)子的質(zhì)量 = 1.6726= 1.672610102727Kg Kg 中子和質(zhì)子的質(zhì)量和中子和質(zhì)子的質(zhì)量和 = 3.3475= 3.347510102727Kg Kg 氘核的質(zhì)量氘核的質(zhì)量 = 3.3436= 3.34361

18、0102727Kg Kg -27=0.0039 10mkg質(zhì)量虧損2Emc 3 3、有關(guān)問題的理解和注意事項、有關(guān)問題的理解和注意事項第一第一. .核反應(yīng)過程中核反應(yīng)過程中: : 核子結(jié)合成原子核時核子結(jié)合成原子核時, ,新核質(zhì)量小于核子的質(zhì)量新核質(zhì)量小于核子的質(zhì)量( (質(zhì)質(zhì)量虧損量虧損),),同時以同時以 光子形式釋放核能光子形式釋放核能; ; 原子核分解為核子時原子核分解為核子時, ,需要吸收一定能量需要吸收一定能量, ,核子的總核子的總質(zhì)量大于原原子核的質(zhì)量質(zhì)量大于原原子核的質(zhì)量. .第二第二. .核反應(yīng)過程中核反應(yīng)過程中, ,質(zhì)量虧損時質(zhì)量虧損時, ,核子個數(shù)不虧損核子個數(shù)不虧損( (

19、即質(zhì)量即質(zhì)量數(shù)守恒數(shù)守恒),),可理解為組成原子核后可理解為組成原子核后, ,核內(nèi)每個核子仿佛核內(nèi)每個核子仿佛“瘦瘦了了”一些一些. .第三第三. .質(zhì)量虧損并非質(zhì)量消失質(zhì)量虧損并非質(zhì)量消失, ,而是減少的質(zhì)量而是減少的質(zhì)量 m m以能量以能量形式輻射形式輻射( (動質(zhì)量動質(zhì)量),),因此質(zhì)量守恒定律不被破壞因此質(zhì)量守恒定律不被破壞. .核子結(jié)合成原子核時核子結(jié)合成原子核時, ,新核質(zhì)量小于核子新核質(zhì)量小于核子的質(zhì)量的質(zhì)量( (質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損),),同時以同時以 光子形式釋放核光子形式釋放核能；原子核分解為核子時能；原子核分解為核子時, ,需要吸收一定能需要吸收一定能量量, ,核子的總質(zhì)量大

20、于原原子核的質(zhì)量。核子的總質(zhì)量大于原原子核的質(zhì)量。核反應(yīng)過程中核反應(yīng)過程中, ,質(zhì)量虧損時質(zhì)量虧損時, ,核子個數(shù)不虧核子個數(shù)不虧損損( (即質(zhì)量數(shù)守恒即質(zhì)量數(shù)守恒),),可理解為組成原子核后可理解為組成原子核后, ,核內(nèi)每個核子仿佛核內(nèi)每個核子仿佛“瘦了瘦了”一些。一些。有關(guān)問題的理解和注意事項有關(guān)問題的理解和注意事項有關(guān)問題的理解和注意事項有關(guān)問題的理解和注意事項質(zhì)量虧損并非質(zhì)量消失質(zhì)量虧損并非質(zhì)量消失, ,而是減少的而是減少的質(zhì)量質(zhì)量 m以能量形式輻射以能量形式輻射( (動質(zhì)量動質(zhì)量),),因此因此質(zhì)量守恒定律不被破壞。質(zhì)量守恒定律不被破壞。不能說成質(zhì)不能說成質(zhì)量轉(zhuǎn)變成了能量。量轉(zhuǎn)變成了

21、能量。在核反應(yīng)中：仍然遵守質(zhì)量守恒定律和能量在核反應(yīng)中：仍然遵守質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律守恒定律注意：注意：四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損HHn211110組成原子核的核子質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差組成原子核的核子質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差中子的質(zhì)量中子的質(zhì)量 =1.6749=1.674910102727Kg Kg 質(zhì)子的質(zhì)量質(zhì)子的質(zhì)量 = 1.6726= 1.672610102727Kg Kg 中子和質(zhì)子的質(zhì)量和中子和質(zhì)子的質(zhì)量和 = 3.3475= 3.347510102727Kg Kg 氘核的質(zhì)量氘核的質(zhì)量 = 3.3436= 3.343610102727Kg Kg -27=0.0039 10mkg質(zhì)量虧損2Emc 核能的計算方法核能的計算方法：根據(jù)質(zhì)量虧損計算：根據(jù)質(zhì)量虧損計算：（1）根據(jù)核反應(yīng)方程，計算核反應(yīng)前后）根據(jù)核反應(yīng)方程，計算核反應(yīng)前后質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損m（2）根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程）根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程2Emc(3)單位：單位：mkgEj的單位：的單位：國際單位核能的計算方法核能的計算方法：利用原子質(zhì)量單位利用原子質(zhì)量單位(u)和電子伏特和電子伏特(ev)2719211.660610,11.610=931.5mukgeVjEm cM eV若則 ：鞏固練習(xí)：鞏固練習(xí)：1、下面關(guān)于結(jié)合能和比結(jié)合能的說法中，、下面關(guān)于結(jié)合能和比結(jié)合能的說法中，正確的有（正