4.1核力與核能

1、第第1節(jié)節(jié) 核力與核能核力與核能原子核的組成1142235 92AZ核力及其性質(zhì)核力及其性質(zhì) 元素符號(hào)元素符號(hào) 原子核是由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電，原子核是由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電，中子不帶電。原子核的直徑約為中子不帶電。原子核的直徑約為10-15m , 只相當(dāng)只相當(dāng)原子直徑的十萬(wàn)分之一。原子直徑的十萬(wàn)分之一。在這么小的空間里帶正在這么小的空間里帶正電的質(zhì)子與質(zhì)子間的庫(kù)侖斥力是很大的，那帶正電的質(zhì)子與質(zhì)子間的庫(kù)侖斥力是很大的，那帶正電的質(zhì)子為什么能擠在一起而不飛散？電的質(zhì)子為什么能擠在一起而不飛散？核力核力mpmp庫(kù)侖力庫(kù)侖力庫(kù)侖力庫(kù)侖力萬(wàn)有萬(wàn)有引力引力萬(wàn)有萬(wàn)有引力引力核力核力 核子靠什

2、么力結(jié)合成原子核？核子靠什么力結(jié)合成原子核？是萬(wàn)有引力作用嗎？萬(wàn)有引力太小，只有庫(kù)侖力的萬(wàn)有引力太小，只有庫(kù)侖力的10-36。質(zhì)子要靠萬(wàn)有引力來(lái)。質(zhì)子要靠萬(wàn)有引力來(lái)抗衡相互間的庫(kù)侖力是不可能的。即萬(wàn)有引力不可能使核抗衡相互間的庫(kù)侖力是不可能的。即萬(wàn)有引力不可能使核子緊緊約束在一起。子緊緊約束在一起。理論驗(yàn)證：質(zhì)子相互間距數(shù)量級(jí)是理論驗(yàn)證：質(zhì)子相互間距數(shù)量級(jí)是10-15m，質(zhì)子質(zhì)量，質(zhì)子質(zhì)量數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)10-27kg，質(zhì)子帶電量數(shù)量級(jí)，質(zhì)子帶電量數(shù)量級(jí)10-19C，萬(wàn)有引力，萬(wàn)有引力常量數(shù)量級(jí)常量數(shù)量級(jí)10-11，靜電力常量數(shù)量級(jí)，靜電力常量數(shù)量級(jí)109?？伤愠鋈f(wàn)?？伤愠鋈f(wàn)有引力數(shù)量級(jí)有引力數(shù)量

3、級(jí)10-35N，庫(kù)倫斥力數(shù)量級(jí)，庫(kù)倫斥力數(shù)量級(jí)101N。猜想：除了萬(wàn)有引力和靜電力之外還存在一種力，這猜想：除了萬(wàn)有引力和靜電力之外還存在一種力，這種力使核子緊緊拉在一起，我們物理學(xué)上把它叫核力。種力使核子緊緊拉在一起，我們物理學(xué)上把它叫核力。1、核力：能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一、核力：能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一起的強(qiáng)大的力叫做核力起的強(qiáng)大的力叫做核力一、核力：一、核力：2、特點(diǎn)：、特點(diǎn)： （2）. 核力是短程力。核力是短程力。作用范圍在作用范圍在2fm（210-15m）左右。）左右。（1）. 核力具有電荷無(wú)關(guān)性。核力具有電荷無(wú)關(guān)性。無(wú)論是質(zhì)子間、中子間或質(zhì)子和中子間均存在核力。無(wú)論是質(zhì)子

4、間、中子間或質(zhì)子和中子間均存在核力。力的作用范圍叫力程。力的作用范圍叫力程。短程力：力的作用范圍很小，影響力隨距離的增大而急速減小。短程力：力的作用范圍很小，影響力隨距離的增大而急速減小。長(zhǎng)程力：力的作用范圍大，影響力隨距離的增大而緩慢減小，長(zhǎng)程力：力的作用范圍大，影響力隨距離的增大而緩慢減小，如庫(kù)侖力、萬(wàn)有引力。如庫(kù)侖力、萬(wàn)有引力。距離距離大于大于0.810-15m時(shí)為引力時(shí)為引力, 隨距離的增大而減?。浑S距離的增大而減??；距離超過(guò)距離超過(guò)1.510-15m時(shí)核力急劇下降幾乎消失；時(shí)核力急劇下降幾乎消失；距離小于距離小于0.810-15m時(shí)為斥力，因此核子不會(huì)融合在一起。時(shí)為斥力，因此核子不

5、會(huì)融合在一起。（3）核力是強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）的一種表現(xiàn)。在作用）核力是強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）的一種表現(xiàn)。在作用范圍內(nèi)，核力比庫(kù)侖力大得多。范圍內(nèi)，核力比庫(kù)侖力大得多。核子只對(duì)相鄰的核子產(chǎn)生較強(qiáng)的引力，而不是與核核子只對(duì)相鄰的核子產(chǎn)生較強(qiáng)的引力，而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用。內(nèi)所有核子發(fā)生作用。（4）核力具有飽和性。）核力具有飽和性。自然界中的四種基本相互作用力：萬(wàn)有引力磁力自然界中的四種基本相互作用力：萬(wàn)有引力磁力強(qiáng)相互作用力弱相互作用力。強(qiáng)相互作用力弱相互作用力。 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(huì)大到其續(xù)增大原子核，一些核子間的

6、距離會(huì)大到其間根本沒(méi)有核力的作用，這時(shí)即使再增加中間根本沒(méi)有核力的作用，這時(shí)即使再增加中子也無(wú)濟(jì)于事，這樣的核必然是不穩(wěn)定的。子也無(wú)濟(jì)于事，這樣的核必然是不穩(wěn)定的。 在宇宙演化的進(jìn)程中，各種粒子有機(jī)會(huì)在宇宙演化的進(jìn)程中，各種粒子有機(jī)會(huì)進(jìn)行各種組合，但那些不穩(wěn)定的組合很快就進(jìn)行各種組合，但那些不穩(wěn)定的組合很快就瓦解了，只有瓦解了，只有200多種穩(wěn)定的原子核長(zhǎng)久地多種穩(wěn)定的原子核長(zhǎng)久地留了下來(lái)。現(xiàn)在觀察到的天然放射性元素，留了下來(lái)。現(xiàn)在觀察到的天然放射性元素，則正在瓦解之中。則正在瓦解之中。 由于核子間存在著強(qiáng)大的核力，所以核子由于核子間存在著強(qiáng)大的核力，所以核子結(jié)合結(jié)合成原子核成原子核或原子核或

7、原子核分解分解為核子時(shí)，都伴隨著巨大的能量變化為核子時(shí)，都伴隨著巨大的能量變化 nHHHHn101121211110例如：反之，核子結(jié)合成原子核時(shí)，也會(huì)放出同樣多的能量。這個(gè)反之，核子結(jié)合成原子核時(shí)，也會(huì)放出同樣多的能量。這個(gè)能量叫做能量叫做原子核的結(jié)合能。原子核的結(jié)合能。因此氘核的結(jié)合能是因此氘核的結(jié)合能是2.2Mev。結(jié)合能可以以光子的形式放出來(lái)。結(jié)合能可以以光子的形式放出來(lái)。三、結(jié)合能三、結(jié)合能nHHHHn101121211110例如：分解：分解：結(jié)合：結(jié)合：為光子，其能量為光子，其能量2.2MeV，反應(yīng)才能發(fā)生，反應(yīng)才能發(fā)生由于核子間存在強(qiáng)大的核力，要把原子核拆散成核子，由于核子間存在

8、強(qiáng)大的核力，要把原子核拆散成核子，要克服核力做功，必須吸收一定的能量。要克服核力做功，必須吸收一定的能量。1、結(jié)合能、結(jié)合能結(jié)合能結(jié)合能并不是由于核子結(jié)合成原子核而具有的并不是由于核子結(jié)合成原子核而具有的能量，而是為把原子核分開(kāi)而能量，而是為把原子核分開(kāi)而需要需要的能量或者的能量或者結(jié)合成原子核需要結(jié)合成原子核需要放出放出的能量。的能量。2、平均結(jié)合能（比結(jié)合能）、平均結(jié)合能（比結(jié)合能）（1）定義：平均每個(gè)核子的結(jié)合能。）定義：平均每個(gè)核子的結(jié)合能。用原子核的結(jié)合能除以質(zhì)量數(shù)（核子數(shù)）就得到平均結(jié)合用原子核的結(jié)合能除以質(zhì)量數(shù)（核子數(shù)）就得到平均結(jié)合能。能。說(shuō)明：說(shuō)明： 平均結(jié)合能越大，表示原子

9、核中核子結(jié)合得越平均結(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。牢固，原子核越穩(wěn)定。平均結(jié)合能是核子結(jié)合成原子核時(shí)每個(gè)核子平均放出的能量，也是平均結(jié)合能是核子結(jié)合成原子核時(shí)每個(gè)核子平均放出的能量，也是把原子核分解成自由核子時(shí)每個(gè)核子平均吸收的能量。把原子核分解成自由核子時(shí)每個(gè)核子平均吸收的能量。（2）平均結(jié)合能與原子核的穩(wěn)定性）平均結(jié)合能與原子核的穩(wěn)定性從圖象上看，哪一種原子的比結(jié)合能更大？從圖象上看，哪一種原子的比結(jié)合能更大？核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，平核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，平均結(jié)合能都比較小，中等核子數(shù)的原子核平均均結(jié)合能都比較小，中等核子數(shù)的原子核平均

10、結(jié)合能較大，表示這些原子核越穩(wěn)定。結(jié)合能較大，表示這些原子核越穩(wěn)定。當(dāng)平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成平均結(jié)合能當(dāng)平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成平均結(jié)合能較大的原子核時(shí)就可釋放核能。較大的原子核時(shí)就可釋放核能。如一個(gè)核子數(shù)較大的重核分裂成兩個(gè)核子數(shù)小一如一個(gè)核子數(shù)較大的重核分裂成兩個(gè)核子數(shù)小一些的核，或者兩個(gè)核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個(gè)些的核，或者兩個(gè)核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個(gè)核子數(shù)大一些的核，都能釋放出巨大的核能。核子數(shù)大一些的核，都能釋放出巨大的核能。四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損中子的質(zhì)量中子的質(zhì)量 =1.6749=1.6749 10102727Kg Kg 質(zhì)子的質(zhì)量質(zhì)子的質(zhì)量 = = 1.67261

11、027Kg 中子和質(zhì)子的質(zhì)量和中子和質(zhì)子的質(zhì)量和 = = 3.34751027Kg 氘核的質(zhì)量氘核的質(zhì)量 = = 3.34361027Kg 質(zhì)量差質(zhì)量差 = = 0.00391027Kg 問(wèn)題分析：質(zhì)子與中子結(jié)合成氘核問(wèn)題分析：質(zhì)子與中子結(jié)合成氘核前后總質(zhì)量的差異前后總質(zhì)量的差異nHHHHn101121211110例如：核子結(jié)合成原子核時(shí)，質(zhì)量減少。核子結(jié)合成原子核時(shí)，質(zhì)量減少。原子分解為核子原子分解為核子時(shí)，質(zhì)量增加。時(shí)，質(zhì)量增加。可見(jiàn)，核反應(yīng)前后，總質(zhì)量并不相等！可見(jiàn)，核反應(yīng)前后，總質(zhì)量并不相等！1、質(zhì)量虧損：、質(zhì)量虧損：原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和

12、質(zhì)量之和對(duì)比愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程對(duì)比愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程 E=mc2核子核子在在結(jié)合成原子核結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)的時(shí)出現(xiàn)的質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損 mm，與它們與它們?cè)诨ハ嘟Y(jié)合過(guò)程中在互相結(jié)合過(guò)程中放出的能量是否存在某種對(duì)應(yīng)關(guān)系放出的能量是否存在某種對(duì)應(yīng)關(guān)系呢？呢？質(zhì)量虧損的思考：質(zhì)量虧損的思考：E mc2？結(jié)論：以上等式確實(shí)成立，表明結(jié)論：以上等式確實(shí)成立，表明質(zhì)量虧質(zhì)量虧損與能量變化有著密切的聯(lián)系損與能量變化有著密切的聯(lián)系MevEJevJJmcE19. 2106 . 111051. 3103109 . 3191328302說(shuō)明：說(shuō)明： E=E= mm c c2 2 的的單位問(wèn)題單位問(wèn)題國(guó)際單位國(guó)際單位: m

13、用用“kg” C用用“m/s” E E用用“ “J”J”常用單位常用單位: m用用“u(原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位)” 1u=1.66056610-27kg 1u=931.5MeV 1u=931.5MeV ( (表示表示1u 1u 的質(zhì)量變化的質(zhì)量變化相當(dāng)于相當(dāng)于931.5MeV931.5MeV的能量改變的能量改變) )3、注意事項(xiàng)：、注意事項(xiàng)：核反應(yīng)過(guò)程中核反應(yīng)過(guò)程中: 核子結(jié)合成原子核時(shí)核子結(jié)合成原子核時(shí),新核質(zhì)量小于核子的質(zhì)新核質(zhì)量小于核子的質(zhì)量量(質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損),同時(shí)以同時(shí)以 光子形式光子形式釋放核能釋放核能; 原子核原子核分解為核子時(shí)分解為核子時(shí),需要吸收一定能量需要吸收一定能量,

14、核子核子的總質(zhì)量大于原原子核的質(zhì)量的總質(zhì)量大于原原子核的質(zhì)量.核反應(yīng)過(guò)程中核反應(yīng)過(guò)程中,質(zhì)量虧損時(shí)質(zhì)量虧損時(shí),核子個(gè)數(shù)不虧損核子個(gè)數(shù)不虧損(即即質(zhì)量質(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(gè)核子仿佛核內(nèi)每個(gè)核子仿佛“瘦了瘦了”一些一些.質(zhì)量虧損并非質(zhì)量消失質(zhì)量虧損并非質(zhì)量消失,而是而是減少的質(zhì)量減少的質(zhì)量 m以能量以能量形式輻射形式輻射(動(dòng)質(zhì)量動(dòng)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。當(dāng)然，當(dāng)然，2.19MeV2.19MeV的能量的絕對(duì)數(shù)量并不算大，但這的能量的絕對(duì)數(shù)量并不算大，但這只是組成只是組成1 1個(gè)氘核所放出的能量如果組成的是個(gè)氘核所放出

15、的能量如果組成的是6.026.0210102323個(gè)氘核時(shí)，放出的能量就十分可觀個(gè)氘核時(shí)，放出的能量就十分可觀了與之相對(duì)照的是，使了與之相對(duì)照的是，使1 1摩的碳完全燃燒放出的摩的碳完全燃燒放出的能量為能量為393.5393.510103 3J J折合為每個(gè)碳原子在完全燃折合為每個(gè)碳原子在完全燃燒時(shí)放出的能量只不過(guò)燒時(shí)放出的能量只不過(guò)4eV4eV若跟上述核反應(yīng)中每若跟上述核反應(yīng)中每個(gè)原子可能放出的能量相比，兩者相差數(shù)十萬(wàn)倍個(gè)原子可能放出的能量相比，兩者相差數(shù)十萬(wàn)倍核反應(yīng)中釋放或吸收的能量比化學(xué)反應(yīng)中釋放或吸核反應(yīng)中釋放或吸收的能量比化學(xué)反應(yīng)中釋放或吸收的能量大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)收的能量大好幾個(gè)數(shù)量級(jí). 典例探究典例探究A.反應(yīng)后氘核