第19章(五六七八)核力與結合能-重核裂變-核聚變、粒子和宇宙

1、19.5 核力與結合能核力與結合能一、核力與四種基本相互作用一、核力與四種基本相互作用20世紀初，人們知道自然界存在和這兩種基本相互作用，請算出相同的距離上，兩質(zhì)子間的這種作用力有哪些特點？人們對這種相互作用的認識還有哪些有待完善？ 原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬有引力來抗衡相互間的庫侖力是不可能的。 猜想：有第三種力-核力，是核力把核子緊緊地束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核。一、核力與四種基本相互作用一、核力與四種基本相互作用2. 核力是核力是短程力短程力。約在。約在 10-15m量級時起作用，距離大于量級時起作用，距離大于0.810-15m時為時為引力引力, 距離為距離為1.510-15m時核力幾

2、乎消失，距時核力幾乎消失，距離小于離小于0.810-15m時為時為斥力斥力，因此核子不會融合在一起。，因此核子不會融合在一起。1. 核力是四種相互作用中的核力是四種相互作用中的強相互作用（強力）強相互作用（強力）的一種表的一種表現(xiàn)。在原子核尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多?，F(xiàn)。在原子核尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多。3. 核力具有核力具有飽和性飽和性。每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，。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。這種性質(zhì)稱之為核力的飽和性。 核力特點核力特點4. 核力具有核力具有電荷無關性電荷無關性。對給定的相對運動狀態(tài)，核力與核。對給定的相對運動狀態(tài)，核力與核子

3、電荷無關。（子電荷無關。（P79）小于0.810-15m時核力的變化規(guī)律還不清楚。一、核力與四種基本相互作用一、核力與四種基本相互作用 弱相互作用是引起原子核發(fā)生衰變的原因,即引起中子質(zhì)子轉變的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強力更短，為10-18 m，作用強度比電磁力弱。 1.1.萬有引力：萬有引力：引力主要在宏觀和宇宙尺度上引力主要在宏觀和宇宙尺度上“獨領風騷獨領風騷”。是引力使行星繞恒星轉動，并且聯(lián)系著星系團，決定了宇是引力使行星繞恒星轉動，并且聯(lián)系著星系團，決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來。宙的現(xiàn)狀和未來。3.3.強相互作用強相互作用：在原子核內(nèi)，強力將在原子核內(nèi)，強力將核子束縛在一起核子束

4、縛在一起。2.2.電磁力：電磁力：在原子核外，電磁力使電子結合成分子，使在原子核外，電磁力使電子結合成分子，使分子結合成液體與固體。分子結合成液體與固體。電磁力和萬有引力都是電磁力和萬有引力都是“”，即它們可以作用到，即它們可以作用到無限遠的距離，當然距離越遠，力就越小無限遠的距離，當然距離越遠，力就越小4.4.弱相互作用弱相互作用：弱相互作用是弱相互作用是引起原子核引起原子核衰變的原因衰變的原因，即引起中子質(zhì)子轉變的原因。弱相互作用也是即引起中子質(zhì)子轉變的原因。弱相互作用也是，其力程比強力更短，為其力程比強力更短，為10101818m m，作用強度則比電磁力小。，作用強度則比電磁力小。 物理

5、學有一條理論：叫做簡單才是美。能否將這四條理論物理學有一條理論：叫做簡單才是美。能否將這四條理論統(tǒng)一起來呢？統(tǒng)一起來呢？一、核力與四種基本相互作用一、核力與四種基本相互作用二、原子核中質(zhì)子和中子的比例二、原子核中質(zhì)子和中子的比例輕核（原子序數(shù)小于20）的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)大致相等；對輕核而言，核子數(shù)量相對較小，核子間距處于核力作用范圍之內(nèi)，由于核力遠大于電磁力，即使質(zhì)子和中子成對出現(xiàn)，強大的核力也可以將核子緊緊地束縛在原子核的范圍之內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核。二、原子核中質(zhì)子和中子的比例二、原子核中質(zhì)子和中子的比例重核（原子序數(shù)大于20）的質(zhì)子數(shù)小于中子數(shù)；對于重核而言，核子數(shù)量大，核子間距也大，由于核

6、力的飽和性，核力會因為核子間距的變大而大幅度減小，甚至小于電磁力。如果質(zhì)子和中子再成對出現(xiàn)，原子核不穩(wěn)定；如果只增加中子，由于中子之間不存在庫侖力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)定，所以重核內(nèi)中子數(shù)會明顯大于質(zhì)子數(shù)。 三、結合能三、結合能 核子核子結合結合成原子核時要成原子核時要放出放出一定能量；原子一定能量；原子核核分解分解成核子時，要成核子時，要吸收吸收同樣的能量。這個能量同樣的能量。這個能量叫做叫做原子核的結合能原子核的結合能。 結合能結合能不是不是由于核子結合成原子核而由于核子結合成原子核而擁有擁有的的能量，能量，而是而是為把核子分開而為把核子分開而需要需要的能量。的能量

7、。 組成原子核的組成原子核的核子數(shù)核子數(shù)，組成原子核的，組成原子核的核子核子數(shù)越多，結合能越大。數(shù)越多，結合能越大。結合能與核子數(shù)之比，稱做比結合能，結合能與核子數(shù)之比，稱做比結合能，也也叫叫平均結合能平均結合能。比結合能比結合能越大越大，表示原子核中核子結合得，表示原子核中核子結合得越牢固越牢固，原子核，原子核越穩(wěn)定越穩(wěn)定。因為比結合能越大，因為比結合能越大，將每個核子分開將每個核子分開 越大。越大。三、結合能三、結合能四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損有何關系？若一個物體質(zhì)量有何關系？若一個物體質(zhì)量減小了減小了m，那么它的能量減小多少？，那么它的能量減小多少？ 愛因斯坦的質(zhì)能方程：愛因斯坦的質(zhì)能方程

8、：Emc2， 能量變化能量變化 E=mc2四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損質(zhì)量減小量質(zhì)量減小量: m=( mp+ mn)- mD=0.003910-27kg；能量減小量能量減小量: E=m c2=3.5110-13J=2.19106eV；結合能結合能:E=m c2=2.19MeV；比結合能為比結合能為:E/n=E/2=1.10MeV 。四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損 使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成中等質(zhì)量的核； 因為使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成中等大小的核，核子的比結合能都會增加，即核子將發(fā)生新的質(zhì)量虧損，釋放新的核能

9、。19.6 重核的裂變原子核聚變裂變U23592n10+Ba14156Kr9236+n310kg103578. 0m27 2201MeVEmc1kg鈾全部裂變，它放出的能量超過2000t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時釋放的能量中國第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖 水泥防護層水泥防護層控制棒控制棒鎘棒鎘棒燃料棒燃料棒鈾棒鈾棒減速劑減速劑世界核能發(fā)電占全部電量世界核能發(fā)電占全部電量1/41/4 核燃料鈾235第七節(jié)第七節(jié)核核 聚聚 變變復習：復習：1.核裂變、鏈式反應的概念？核裂變、鏈式反應的概念？鏈式反應的條件？鏈式反應的條件？2.什么是核反應堆？它由哪些組成？各自作用是什什么是核反應堆？它由哪些組成？各自作用是

10、什么？核電站概念？么？核電站概念？鈾核裂變的兩種常見方式？鈾核裂變的兩種常見方式？n3KrBanU109236141561023592n01SrXenU109038136541023592人為控制鏈式反應的速度，使得核能按照人們的需要人為控制鏈式反應的速度，使得核能按照人們的需要平緩地釋放出來平緩地釋放出來-核反應堆。核反應堆。 核反應堆是可以進行核裂變鏈式反應，并對其輸出功率是可以進行核裂變鏈式反應，并對其輸出功率能夠安全地進行控制的裝置能夠安全地進行控制的裝置 核電站，它是將核反應堆所產(chǎn)生的熱能引出到外部，它是將核反應堆所產(chǎn)生的熱能引出到外部，并且高效率地將熱能轉換成電能的設備。并且高效率

11、地將熱能轉換成電能的設備。OZABCDEFFe核子平均質(zhì)量一、核聚變一、核聚變1.概念：概念：2341112017.6MeVHHHen23411120HHHen22311111HHHH輕核的聚變輕核的聚變: :2341112017.6MeVHHHen根據(jù)所給數(shù)據(jù)根據(jù)所給數(shù)據(jù), ,計算下面核反應放出的能量計算下面核反應放出的能量: :23411120HHHen氘核的質(zhì)量：氘核的質(zhì)量：m mD D2.014102u2.014102u氚核的質(zhì)量：氚核的質(zhì)量：m mT T3.016050u3.016050u氦核的質(zhì)量：氦核的質(zhì)量：m m4.002603u4.002603u中子的質(zhì)量：中子的質(zhì)量：m m

12、n n=1.008665u=1.008665u)(nTDmmmmmu018884. 0MeV5 .93101884. 02mcEMeV59.17E1、必須讓輕核的距離非常接近、必須讓輕核的距離非常接近m10152、必須讓輕核具有很大的動能、必須讓輕核具有很大的動能需要克服極大的庫侖斥力需要克服極大的庫侖斥力1kE2kE如何能使輕核具有很大的動能呢？可以將輕核加熱到很高的溫度當物質(zhì)達到幾百萬攝氏度以上的高溫時，劇當物質(zhì)達到幾百萬攝氏度以上的高溫時，劇烈的熱運動使得一部分原子核已經(jīng)具有足夠烈的熱運動使得一部分原子核已經(jīng)具有足夠的動能，可以克服相互之間的庫侖斥力，在的動能，可以克服相互之間的庫侖斥力

13、，在碰撞時發(fā)生聚變因此，聚變反應又叫碰撞時發(fā)生聚變因此，聚變反應又叫熱核反應目前，目前，熱核反應熱核反應主要用在核武器上主要用在核武器上氫彈氫彈氫彈原理圖氫彈原理圖太陽是一個巨大的熱核反應堆太陽是一個巨大的熱核反應堆二、受控熱核反應二、受控熱核反應（1）輕核聚變產(chǎn)能效率高）輕核聚變產(chǎn)能效率高1.聚變與裂變相比的優(yōu)點：聚變與裂變相比的優(yōu)點：（2）地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富）地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富（3）輕核聚變更安全、清潔）輕核聚變更安全、清潔（4）2.實現(xiàn)核聚變的難點：實現(xiàn)核聚變的難點：、熱核反應的的點火溫度很高；、熱核反應的的點火溫度很高； 、如何約束聚變所需的燃料；、如何約束聚變所需的燃料；

14、 磁約束磁約束目前，解決這些難題的目前，解決這些難題的途徑之一是利用是利用等離子體 當用強大的電流向核聚變?nèi)剂想怏w）放電時，就能產(chǎn)生幾千萬甚至上億攝氏度的高溫，同時使氘原子分離成帶正電的和帶負電的粒子，從而形成了“等離子體” 用強磁場能夠促使高溫下的帶電粒子會聚成細柱狀而用強磁場能夠促使高溫下的帶電粒子會聚成細柱狀而不飛散，這樣就能根據(jù)需要來控制核聚變反應的速度不飛散，這樣就能根據(jù)需要來控制核聚變反應的速度 慣性約束慣性約束將具有巨大能量的激光用透鏡形成一個極小的焦斑，將具有巨大能量的激光用透鏡形成一個極小的焦斑，這樣就能產(chǎn)生極高的溫度，利用這一高溫，可使處在這樣就能產(chǎn)生極高的溫度，利用這

15、一高溫，可使處在焦斑處的液態(tài)氘逐漸地向四周形成聚變反應。焦斑處的液態(tài)氘逐漸地向四周形成聚變反應。磁約束與托卡馬克核聚變裝置慣性約束與激光核聚變慣性約束與激光核聚變 激光核聚變。它是在一個直徑約激光核聚變。它是在一個直徑約100微米的小球微米的小球內(nèi)充以高壓的氘一氚混合氣體（或結冰的固體），內(nèi)充以高壓的氘一氚混合氣體（或結冰的固體），稱稱靶丸，然后用強功率的激光束均勻地從四面八方，然后用強功率的激光束均勻地從四面八方照射小靶丸，靶丸中的核燃料吸收激光的能量形成照射小靶丸，靶丸中的核燃料吸收激光的能量形成等離子體，這些等離子體因其慣性，在還來不及飛等離子體，這些等離子體因其慣性，在還來不及飛散開的

16、極短時間內(nèi)，向內(nèi)壓縮到很高密度（液體密散開的極短時間內(nèi)，向內(nèi)壓縮到很高密度（液體密度的一千到一萬倍）和加熱到很高溫度，因而產(chǎn)生度的一千到一萬倍）和加熱到很高溫度，因而產(chǎn)生熱核聚變反應。這種聚變方法就稱為激光核聚變或熱核聚變反應。這種聚變方法就稱為激光核聚變或激光激光“聚爆聚爆”。 它的特點是靠自身的慣性來約束的。它的特點是靠自身的慣性來約束的。再創(chuàng)造一個太陽！反應堆解決能源問題是當今社會的一個最急迫的問題，而最讓人注目的就是-熱核反應第八節(jié)第八節(jié)粒粒 子子 和和 宇宇 宙宙一、一、“基本粒子基本粒子”不基本不基本二、發(fā)現(xiàn)新粒子二、發(fā)現(xiàn)新粒子19321932年發(fā)現(xiàn)了正電子年發(fā)現(xiàn)了正電子19371937年發(fā)現(xiàn)了年發(fā)現(xiàn)了子子19471947年發(fā)現(xiàn)了年發(fā)現(xiàn)了K K介子和介子和介子介子超子超子三、反粒子：三、反粒子：質(zhì)量相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)量相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反兩個粒子。質(zhì)相反兩個粒子。例如：電子的反粒子例如：電子的反粒子正電子正電子質(zhì)子的反粒子質(zhì)子的反粒子反質(zhì)子反質(zhì)子1.1.數(shù)以百計的新發(fā)現(xiàn)的粒子都不是由質(zhì)子中子電子組成的數(shù)以百計的新發(fā)現(xiàn)的粒子都不是由質(zhì)子中子電子組成的2. 2. 質(zhì)子中子等等本身也是復合粒子，有著復雜結構。質(zhì)子中子等等本身也