《核力與結(jié)合能》PPT課件

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) 原子核的半徑約為原子核的半徑約為10-15m , 只只相當(dāng)原子半徑的萬分之一。在這相當(dāng)原子半徑的萬分之一。在這么小的空間里帶正電的質(zhì)子與質(zhì)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，萬有引子間的庫侖斥力是很大，萬有引力太小，只有庫侖力的力太小，只有庫侖力的10-36。而。而通常原子核是穩(wěn)定的通常原子核是穩(wěn)定的,于是核內(nèi)還于是核內(nèi)還應(yīng)有另一種力把各種核子緊緊拉應(yīng)有另一種力把各種核子緊緊拉在一起在一起, 此力稱為核力。此力稱為核力。核力核力mpmp庫侖力庫侖力庫侖力庫侖力萬有

2、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：核力：能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一起的能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一起的強(qiáng)大的力叫做強(qiáng)大的力叫做核力核力核力具有怎樣的特點(diǎn)呢？核力具有怎樣的特點(diǎn)呢？二、核力：二、核力： 2. 核力是短程力核力是短程力。約在。約在 10-15m量級(jí)時(shí)起作用，距離量級(jí)時(shí)起作用，距離大于大于0.810-15m時(shí)為引力時(shí)為引力, 距離為距離為1010-15m時(shí)核力幾乎時(shí)核力幾乎消失，距離消失，距離小于小于0.810-15m時(shí)為斥力時(shí)為斥力。 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

3、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. 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要真正了解核子間的相互作用還要考慮核子的組成物成物夸克夸克的相互作用。的相互作用。 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)力）強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）的的一種表現(xiàn)。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（弱力）弱相互作用（弱力）弱力是引起弱力是引起中子質(zhì)子中子質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因轉(zhuǎn)變的原因弱

4、相互作用也是短程力，力程比強(qiáng)力更短，為弱相互作用也是短程力，力程比強(qiáng)力更短，為1018m，作用強(qiáng)度則比電磁力小。，作用強(qiáng)度則比電磁力小。*三、原子核中質(zhì)子與中子的比例三、原子核中質(zhì)子與中子的比例自然界中較輕的原子核，自然界中較輕的原子核，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，但對(duì)于較重的原子核，中但對(duì)于較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的子數(shù)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？ 原子核中的質(zhì)子數(shù)又稱為原子核中的質(zhì)子數(shù)又稱為原子序數(shù)原子序數(shù) 周期表中比較靠后的元素對(duì)應(yīng)的原子核叫周期表中比較靠后的元素對(duì)應(yīng)的原子核叫重核重核，靠前的叫

5、輕核。靠前的叫輕核。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，原子核大到一定但核力減小得更快。所以，原子核大到一定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力不足以平程度時(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)原子核就不穩(wěn)定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)地增加核子，而只了。這時(shí)，如果不再成對(duì)地增加核子，而只增加中子，增加中子，中子與其他核子沒有庫侖斥力，中子與其他核子沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，有助于維系原子核的但有相互吸

6、引的核力，有助于維系原子核的穩(wěn)定。穩(wěn)定。由于這個(gè)原因，穩(wěn)定的重原子核里，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。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)大到其續(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)即使再增加中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)定的。子也無濟(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

7、瓦解了，只有200多種穩(wěn)定的原子核長久地多種穩(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，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。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：可見，由于核子間存在強(qiáng)大的核力，要把原子核拆散成核可見，由于核子間存在強(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反之，根據(jù)子，要克服核力做功，必須吸收一定的能量反之，根據(jù)能量

8、守恒，核子結(jié)合成原子核時(shí)，也會(huì)放出同樣多的能量。能量守恒，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)能量叫做這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能。原子核的結(jié)合能。結(jié)合能可以以光子的形式放出來。結(jié)合能可以以光子的形式放出來。四、結(jié)合能四、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)生結(jié)合能結(jié)合能并不是由于核子結(jié)合成原子核而并不是由于核子結(jié)合成原子核而具有具有的的能量，而是為把核子分開而能量，而是為把核子分開而需要需要的能量或者結(jié)的能量或者結(jié)合成原子核需要合成原子核需要放出放出的能量。的能量。比結(jié)合能比結(jié)合能：

9、結(jié)合能與核子數(shù)之比。也叫：結(jié)合能與核子數(shù)之比。也叫平均結(jié)合能平均結(jié)合能說明：說明： 比結(jié)合能越大，表示原子核中核子比結(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。結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。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？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 = = 1.67261027Kg 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 = = 0.0039

10、1027Kg HHn211110問題分析：質(zhì)子與中子結(jié)合成氘核問題分析：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)量的差異四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損：原子分解為核子時(shí)，質(zhì)量增加；核子結(jié)：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。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)量虧損原子核的核子的質(zhì)量之和，叫做質(zhì)量虧損?？梢姡朔磻?yīng)前后，總質(zhì)量并不相等！可見，核反應(yīng)前后，總質(zhì)量并不相等！對(duì)比愛因斯坦質(zhì)能方程對(duì)比愛因斯坦質(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

11、，與它們?cè)诨ハ嘟Y(jié)合過程中在互相結(jié)合過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)量新核質(zhì)量小于小于核子的質(zhì)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; 原子核分解為核子時(shí)原子核分解為核子時(shí),需要需要吸收一定能量吸收一定能量,核子核子的

12、總質(zhì)量的總質(zhì)量大于大于原原子核的質(zhì)量原原子核的質(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(即質(zhì)即質(zhì)量數(shù)守恒量數(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(gè)核子仿佛核內(nèi)每個(gè)核子仿佛“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),因此因此質(zhì)量守恒定律不被破壞質(zhì)量守恒定律不被破壞.第四第四.公式公式 E=E= mm c c2 2 的單位問題的單位問題國際單位國際單位: m用用“kg” C用用“m/s” E E用用“ “J”J”常用單位

13、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 E E用用“ “ucuc2 2” ” 1uc1uc2 2=931MeV =931MeV ( (表示表示1u 1u 的質(zhì)量變化相當(dāng)于的質(zhì)量變化相當(dāng)于931MeV931MeV的能量改變的能量改變) )P39問題與練習(xí)問題與練習(xí) 3.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

14、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)放出的能量只不過燒時(shí)放出的能量只不過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)十萬倍個(gè)原子可能放出的能量相比，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)反核反應(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)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

15、能的能量量1u=1.660610-27kg，光速，光速c=2.9979108m/s，1eV=1.602210-19J證明：證明：由愛因斯坦質(zhì)能方程由愛因斯坦質(zhì)能方程 E=mc2 得得1u對(duì)應(yīng)能量為對(duì)應(yīng)能量為E=mc2= 1.660610-27(2.9979108) 2J= 1.4924 10-10 J= (1.4924 10-10 /1.602210-19)eV= 931.50 106 eV= 931.50 MeV課堂練習(xí)課堂練習(xí):(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