人教版高中物理選修（3-5）-19.5《核力與結(jié)合能》參考課件2

1、第五節(jié)第五節(jié) 核力與結(jié)合能核力與結(jié)合能原子核的組成原子核的組成 原子核是由質(zhì)子和中子組成的，質(zhì)原子核是由質(zhì)子和中子組成的，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子子和中子統(tǒng)稱為核子電荷數(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) 原子核的半徑約為原子核的半徑約為1010-15-15m , m , 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

2、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有萬有引力引力萬有萬有引力引力核力核力 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聯(lián)系核力：能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一起的強(qiáng)大的力叫做核力在一起的強(qiáng)大的力叫做核力核力具有怎樣的特點(diǎn)呢？核力具有怎樣的特點(diǎn)呢？一、核力：一、核力： 2. 2. 核力是短程力核力是短程力。約在。約在 1010-15-15m m量級(jí)時(shí)起作用，距離量級(jí)時(shí)起作用，距離大于大于0.80.81010-15-15m m時(shí)

3、為引力時(shí)為引力, , 距離為距離為10101010-15-15m m時(shí)核力幾時(shí)核力幾乎消失，距離小于乎消失，距離小于0.80.81010-15-15m m時(shí)為斥力。時(shí)為斥力。 3. 3. 核力具有飽和性核力具有飽和性。核子只對(duì)相鄰的少數(shù)核子產(chǎn)。核子只對(duì)相鄰的少數(shù)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。生較強(qiáng)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)性核力具有電荷無關(guān)性。對(duì)給定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，。對(duì)給定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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夸克的相

4、互作用。的相互作用。 1. 1. 核力是四種相互作用中的核力是四種相互作用中的強(qiáng)相互作用強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）（強(qiáng)力）的一種表現(xiàn)。的一種表現(xiàn)。除核力外原子核內(nèi)還存在除核力外原子核內(nèi)還存在 弱相互作用弱相互作用（弱力）（弱力）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)變的原因弱相互作用也是弱相互作用也是短程力短程力，力程比，力程比強(qiáng)力更短，為強(qiáng)力更短，為10101818m m，作用強(qiáng)度則比，作用強(qiáng)度則比電磁力小。電磁力小。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

5、數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對(duì)于較大致相等，但對(duì)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(huì)這樣呢？為什么會(huì)這樣呢？核越來越大，有些核子間的距離越來越遠(yuǎn)。核越來越大，有些核子間的距離越來越遠(yuǎn)。隨著距離的增加，核力與電磁力都會(huì)減小，隨著距離的增加，核力與電磁力都會(huì)減小，但核力減小得更快。所以，原子核大到一但核力減小得更快。所以，原子核大到一定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力不足定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個(gè)原子核就以平衡它們之間的庫侖力，這個(gè)原子核就不穩(wěn)定了。這時(shí)，如果不再成對(duì)地增加核不穩(wěn)定

6、了。這時(shí)，如果不再成對(duì)地增加核子，而只增加中子，子，而只增加中子，中子與其他核子沒有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。維系原子核的穩(wěn)定。由于這個(gè)原因，穩(wěn)定由于這個(gè)原因，穩(wěn)定的重原子核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。的重原子核里，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(huì)大到續(xù)增大原子核，一些核子間的距離會(huì)大到其間根本沒有核力的作用，這時(shí)即使再增其間根本沒有核力的作用，這時(shí)即使再增加中子也無濟(jì)于事，這樣的核必然是不穩(wěn)加中子也無濟(jì)于事，這樣的核必然是不穩(wěn)

7、定的。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，只有就瓦解了，只有200200多種穩(wěn)定的原子核長(zhǎng)多種穩(wěn)定的原子核長(zhǎng)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(shí)某一數(shù)值時(shí)某一數(shù)值時(shí)某一數(shù)值時(shí)相同相同三、結(jié)合能三、結(jié)合能 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)合成原子核或原子核成原子核或原子核分解分解為核子時(shí)，都伴為核子時(shí)，都伴隨著巨大的能量變化隨著巨大的能量變化

8、 nHHHHn101121211110例如： 可見，當(dāng)核子結(jié)合成原子核時(shí)要放出一可見，當(dāng)核子結(jié)合成原子核時(shí)要放出一定能量；原子核分解成核子時(shí)，要吸收同樣定能量；原子核分解成核子時(shí)，要吸收同樣的能量這個(gè)能量叫做的能量這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能三、結(jié)合能三、結(jié)合能 結(jié)合能并不是由于核子結(jié)合成原子核結(jié)合能并不是由于核子結(jié)合成原子核而具有的能量，而是為把核子分開而需要而具有的能量，而是為把核子分開而需要的能量。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：結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做為比結(jié)合能。也叫為比結(jié)合能。也叫平均結(jié)合能平均結(jié)合能。 比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合比結(jié)合能越大

9、，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。得越牢固，原子核越穩(wěn)定。三、結(jié)合能三、結(jié)合能四、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、質(zhì)量虧損2 2、

10、質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損：原子分解為核子時(shí)，質(zhì)量：原子分解為核子時(shí)，質(zhì)量增加；核子結(jié)合成原子核時(shí)，質(zhì)量減少。增加；核子結(jié)合成原子核時(shí)，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： 愛因斯坦質(zhì)能方程愛因斯坦質(zhì)能方程 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是物是物體的質(zhì)量，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(shí)出現(xiàn)的質(zhì)量核子在結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)的質(zhì)量虧損虧損mm，正表明它們?cè)诨ハ嘟Y(jié)合過程，正表明它們?cè)诨ハ嘟Y(jié)合過程中放出了能量中放出了能量

11、E=mE=mc c2 23 3、有關(guān)問題的理解和注意事項(xiàng)、有關(guān)問題的理解和注意事項(xiàng)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(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 光子形式釋放核能光子形式釋放核能; ; 原子核分解為核子時(shí)原子核分解為核子時(shí), ,需要吸收一定能量需要吸收一定能量, ,核核子的總質(zhì)量大于原原子核的質(zhì)量子的總質(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(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)量數(shù)守恒質(zhì)量數(shù)守恒),),可理解為組成原子核后

12、可理解為組成原子核后, ,核內(nèi)每個(gè)核子核內(nèi)每個(gè)核子仿佛仿佛“瘦了瘦了”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以能以能量形式輻射量形式輻射( (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. .第四第四. .公式公式E=mE=mc c2 2 的單位問題的單位問題常用單位常用單位: : m m用用“u(u(原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位) )” 1u=1.660566 1u=1.6605661010-27-27kg Ekg E用用“ucuc2 2” 1uc 1uc2 2=931MeV=931MeV ( (表示

13、表示1u 1u 的質(zhì)量變化相當(dāng)于的質(zhì)量變化相當(dāng)于931Me V931Me V的能的能量改變量改變) )P82P82問題與練習(xí)問題與練習(xí) 3.3.當(dāng)然，當(dāng)然，2.19MeV2.19MeV的能量的絕對(duì)數(shù)量并不算大，的能量的絕對(duì)數(shù)量并不算大，但這只是組成但這只是組成1 1個(gè)氘核所放出的能量如果個(gè)氘核所放出的能量如果組成的是組成的是6.026.0210102323個(gè)氘核時(shí)，放出的能量個(gè)氘核時(shí)，放出的能量就十分可觀了與之相對(duì)照的是，使就十分可觀了與之相對(duì)照的是，使1 1摩的摩的碳完全燃燒放出的能量為碳完全燃燒放出的能量為393.5393.510103 3J J折折合為每個(gè)碳原子在完全燃燒時(shí)放出的能量只合

14、為每個(gè)碳原子在完全燃燒時(shí)放出的能量只不過不過4eV4eV若跟上述核反應(yīng)中每個(gè)原子可能若跟上述核反應(yīng)中每個(gè)原子可能放出的能量相比，兩者相差數(shù)十萬倍放出的能量相比，兩者相差數(shù)十萬倍第五第五. .核反應(yīng)中釋放或吸收的能量比化學(xué)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)反應(yīng)中釋放或吸收的能量大好幾個(gè)數(shù)量級(jí). . 課堂練習(xí)課堂練習(xí):(1)試證明，試證明，1原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位u相當(dāng)于相當(dāng)于931.50 MeV的能的能量量1u=1.6606-27kg，光速，光速c=2.9979108m/s，1eV=1.602210-19J (2)碳原子的質(zhì)量是碳原子的質(zhì)量是12.000 000 u12.000 000 u，可以看做是由，可以看做是由6 6個(gè)氫原子個(gè)氫原子( (質(zhì)量是質(zhì)量是1.007 825u)1.007 825u)和和6 6個(gè)中子組成的求個(gè)中子組成的求核子結(jié)合成碳原子核時(shí)釋放的能量核子結(jié)合成碳原子核時(shí)釋放的能量( (在計(jì)算中可以在計(jì)算中可以用碳原子的質(zhì)量代替碳原子核的