核力與結(jié)合能_重核裂變_核聚變、粒子和宇宙

1、19.5 核力與結(jié)合能核力與結(jié)合能 ？mpmp庫侖力庫侖力萬有引力問題問題2 2：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？問題問題1 1：氦原子核中有兩個(gè)質(zhì)子，質(zhì)子質(zhì)量為：氦原子核中有兩個(gè)質(zhì)子，質(zhì)子質(zhì)量為m mp p=1.67=1.671010-27-27kgkg，帶電帶電量為元電荷量為元電荷e=1.6e=1.61010-19-19C C，原子核的直徑的數(shù)量級(jí)為原子核的直徑的數(shù)量級(jí)為1010-15-15m m，那么兩個(gè)質(zhì)子之，那么兩個(gè)質(zhì)子之間的庫侖斥力與間的庫侖斥力與萬有引力萬有引力兩者相差多少倍兩者相差多少倍? ?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(jì)初，

2、人們知道自然界存在和這兩種基本相互作用，請(qǐng)算出相同的距離上，兩質(zhì)子間的這種作用力有哪些特點(diǎn)？人們對(duì)這種相互作用的認(rèn)識(shí)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(jí)時(shí)起作用，距離大于量級(jí)時(shí)起作用，距離大于0.810-15m時(shí)為時(shí)為引力引力, 距離為距離為1.510-15m時(shí)核力幾乎消失，距時(shí)核力幾乎消失，距離小于離小于0.810-15m時(shí)為時(shí)為斥力斥力，因此核子不會(huì)融合在一起

3、。，因此核子不會(huì)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(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）強(qiáng)相互作用（強(qiáng)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。現(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(gè)核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，。每個(gè)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(diǎn)核力特點(diǎn)4. 核力具有核力具有電荷無關(guān)性電荷無關(guān)性。對(duì)給定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，核力與核。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)。（子電荷無關(guān)。（P79）小于0.810-15m時(shí)核力的變化規(guī)律還不清楚。一、核力與四種基

4、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(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強(qiáng)力更短，為10-18 m，作用強(qiáng)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(dú)領(lǐng)風(fēng)騷獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷”。是引力使行星繞恒星轉(zhuǎn)動(dòng)，并且聯(lián)系著星系團(tuán)，決定了宇是引力使行星繞恒星轉(zhuǎn)動(dòng)，并且聯(lián)系著星系團(tuán)，決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來。宙的現(xiàn)狀和未來。3.3.強(qiáng)相互作用強(qiáng)相互作用：在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將核子束縛在一起核子束縛在一起。2.2.電磁力：電磁力：在原子核外，電磁力使電子結(jié)合成分子，使在原子核外，電磁力使電子結(jié)

5、合成分子，使分子結(jié)合成液體與固體。分子結(jié)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(yuǎn)的距離，當(dāng)然距離越遠(yuǎn)，力就越小無限遠(yuǎn)的距離，當(dāng)然距離越遠(yuǎn)，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(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是即引起中子質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是，其力程比強(qiáng)力更短，為其力程比強(qiáng)力更短，為10101818m m，作用強(qiáng)度則比電磁力小。，作用強(qiáng)度則比電磁力小。 物理學(xué)有一條理論：叫做簡(jiǎn)單才是美。能否將這四條理論物理學(xué)有一條理論：叫做簡(jiǎn)單才是美。能否將這四條理論統(tǒng)

6、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(duì)輕核而言，核子數(shù)量相對(duì)較小，核子間距處于核力作用范圍之內(nèi)，由于核力遠(yuǎn)大于電磁力，即使質(zhì)子和中子成對(duì)出現(xiàn)，強(qiáng)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(duì)于重核而言，核子數(shù)量大，核子間距也大，由于核力的飽和性，核力會(huì)因?yàn)楹俗娱g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(duì)出現(xiàn)，原子核

7、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(huì)明顯大于質(zhì)子數(shù)。 二二 結(jié)合能結(jié)合能nHH101121HnH211011當(dāng)光子能量等于或當(dāng)光子能量等于或大于大于2.22MeV時(shí)，時(shí)，這個(gè)反應(yīng)才會(huì)發(fā)生這個(gè)反應(yīng)才會(huì)發(fā)生 一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核，要放出結(jié)合成氘核，要放出2.22MeV的能量的能量 結(jié)合能：結(jié)合能：將原子核拆散成單個(gè)核子需要吸收的將原子核拆散成單個(gè)核子需要吸收的能量或是將核子結(jié)合成原子核所放出的能量能量或是將核子結(jié)合成原子核所放出的能量三、結(jié)合能三、結(jié)合能 核子核子結(jié)合結(jié)合成原子核時(shí)要成原子核時(shí)

8、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(shí)，要成核子時(shí)，要吸收吸收同樣的能量。這個(gè)能量同樣的能量。這個(gè)能量叫做叫做原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能。 結(jié)合能結(jié)合能不是不是由于核子結(jié)合成原子核而由于核子結(jié)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。 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(jié)合能越大。數(shù)越多，結(jié)合能越大。結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能，結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能，也也叫叫平均結(jié)合能平均結(jié)合能。比結(jié)合能比結(jié)合能越大越大，表示原子核中核子結(jié)合得，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固

9、越牢固，原子核，原子核越穩(wěn)定越穩(wěn)定。因?yàn)楸冉Y(jié)合能越大，因?yàn)楸冉Y(jié)合能越大，將每個(gè)核子分開將每個(gè)核子分開 越大。越大。三、結(jié)合能三、結(jié)合能8、四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損有何關(guān)系？若一個(gè)物體質(zhì)量有何關(guān)系？若一個(gè)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：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(jié)合能結(jié)合能:E=m c2=2.19MeV；比結(jié)合能為比結(jié)

10、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?yàn)槭馆^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(jié)合能都會(huì)增加，即核子將發(fā)生新的質(zhì)量虧損，釋放新的核能。OZABCDEF核子平均質(zhì)量 目標(biāo)檢測(cè)目標(biāo)檢測(cè)1、以以下關(guān)于核力的說法正確的是下關(guān)于核力的說法正確的是 （ ）A、核力存在于任何核子之間、核力存在于任何核子之間B、核力只存在于相鄰的核子之間、核力只存在于相鄰的核子之間C、核力與萬有引力性質(zhì)相同、核力與萬有引力性質(zhì)相同D、核力是一種短程

11、的強(qiáng)作用力、核力是一種短程的強(qiáng)作用力B、D考查點(diǎn)：核力的性質(zhì)考查點(diǎn)：核力的性質(zhì) 目標(biāo)檢測(cè)目標(biāo)檢測(cè)2、聯(lián)合國(guó)將、聯(lián)合國(guó)將2005年定為年定為“國(guó)際物理年國(guó)際物理年”，以紀(jì)念，以紀(jì)念愛因斯坦對(duì)物理學(xué)的巨大貢獻(xiàn)。對(duì)于愛因斯坦愛因斯坦對(duì)物理學(xué)的巨大貢獻(xiàn)。對(duì)于愛因斯坦提出的質(zhì)能方程提出的質(zhì)能方程E=mc2，下列說法中正確的是，下列說法中正確的是（ )A、E=mc2表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比B、 E=mc2中的中的E表示發(fā)生核反應(yīng)過程中釋放的表示發(fā)生核反應(yīng)過程中釋放的核能核能C、 根據(jù)根據(jù)E= mc2 可以計(jì)算核反應(yīng)中釋放的可以計(jì)算核反應(yīng)中釋放的核能核能D、 E= m

12、c2 表示發(fā)生的質(zhì)量虧損表示發(fā)生的質(zhì)量虧損 m轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變成為能量成為能量 E釋放出來釋放出來A、C3、當(dāng)氘核和氚核聚合成氦核時(shí)會(huì)釋放大量能量，、當(dāng)氘核和氚核聚合成氦核時(shí)會(huì)釋放大量能量，設(shè)氘核的質(zhì)量為設(shè)氘核的質(zhì)量為m1，氚核的質(zhì)量為，氚核的質(zhì)量為m2，氦核的，氦核的質(zhì)量為質(zhì)量為m3,中子的質(zhì)量為中子的質(zhì)量為m4,則反應(yīng)過程中釋放的則反應(yīng)過程中釋放的能量為：能量為： （ ） 目標(biāo)檢測(cè)目標(biāo)檢測(cè)2321)(cmmm2421)(cmmm24321)(cmmmm22143)(cmmmmA、C、D、B、CnHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121n

13、HeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10423121核反應(yīng)方程為：核反應(yīng)方程為：2mcE 目標(biāo)檢測(cè)（拓展）目標(biāo)檢測(cè)（拓展）4、一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子聚變結(jié)合成一個(gè)氘核，、一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子聚變結(jié)合成一個(gè)氘核，同時(shí)輻射一個(gè)同時(shí)輻射一個(gè)光子。已知質(zhì)子、中子、氘核的光子。已知質(zhì)子、中子、氘核的質(zhì)量分別為質(zhì)量分別為m m1 1、m m2 2、m m3 3，普朗克常數(shù)為，普朗克常數(shù)為h h，真空中，真空中

14、的光速為的光速為c c，下列說法正確的是，下列說法正確的是（ ）A A、核反應(yīng)方程是、核反應(yīng)方程是HnH3110112321)(cmmmhD、 光子的波長(zhǎng)光子的波長(zhǎng)C、輻射出的、輻射出的光子的能量光子的能量 E=（m3-m1-m2)c2B、聚變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損、聚變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損m=m1+m2-m3B 小結(jié)小結(jié)1、核子之間的強(qiáng)相互作用力叫、核子之間的強(qiáng)相互作用力叫_。主要。主要特點(diǎn)是特點(diǎn)是_,_.2、當(dāng)核子結(jié)合成原子核時(shí)要、當(dāng)核子結(jié)合成原子核時(shí)要_ (“吸收吸收”或或“放出放出”)一定的能量，原子核分解成核子時(shí)，要一定的能量，原子核分解成核子時(shí)，要_ (“吸收吸收”或或“放出放出”)同樣的能

15、量，這個(gè)能同樣的能量，這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能。量叫做原子核的結(jié)合能。3、結(jié)合能與核子數(shù)之比稱、結(jié)合能與核子數(shù)之比稱_,平均結(jié)合平均結(jié)合能能_ (“越大越大”“”“越小越小”)表示原子核中核子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。4、求解原子核的結(jié)合能的方法是：、求解原子核的結(jié)合能的方法是：核力核力短程力短程力強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）吸收吸收放出放出平均結(jié)合能平均結(jié)合能越大越大2mcE19.6 重核的裂變?cè)雍司圩兞炎僓23592n10+Ba14156Kr9236+n310kg103578. 027m2201MeVEmc1kg鈾全部裂變，它放出的

16、能量超過2000t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)釋放的能量中國(guó)第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖 水泥防護(hù)層水泥防護(hù)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(fù)習(xí)：復(fù)習(xí)：1.核裂變、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的概念？核裂變、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的概念？鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件？鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件？2.什么是核反應(yīng)堆？它由哪些組成？各自作用是什什么是核反應(yīng)堆？它由哪些組成？各自作用是什么？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？n3KrBanU109236141561023592n01SrXenU10903813

17、6541023592人為控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使得核能按照人們的需要人為控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)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(yīng)堆。核反應(yīng)堆。 核反應(yīng)堆是可以進(jìn)行核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，并對(duì)其輸出功率是可以進(jìn)行核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，并對(duì)其輸出功率能夠安全地進(jìn)行控制的裝置能夠安全地進(jìn)行控制的裝置 核電站，它是將核反應(yīng)堆所產(chǎn)生的熱能引出到外部，它是將核反應(yīng)堆所產(chǎn)生的熱能引出到外部，并且高效率地將熱能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備。并且高效率地將熱能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備。OZABCDEFFe核子平均質(zhì)量一、核聚變一、核聚變1.概念：概念：2341112017.6MeVHHHen23411120HHHen2231

18、1111HHHH輕核的聚變輕核的聚變: :2341112017.6MeVHHHen1、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(dòng)能、必須讓輕核具有很大的動(dòng)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(dòng)能呢？可以將輕核加熱到很高的溫度當(dāng)物質(zhì)達(dá)到幾百萬攝氏度以上的高溫時(shí)，劇當(dāng)物質(zhì)達(dá)到幾百萬攝氏度以上的高溫時(shí)，劇烈的熱運(yùn)動(dòng)使得一部分原子核已經(jīng)具有足夠烈的熱運(yùn)動(dòng)使得一部分原子核已經(jīng)具有足夠的動(dòng)能，可以克服相互之間的庫侖斥力，在的動(dòng)能，可以克服相互之間的庫侖斥力，在碰撞時(shí)發(fā)生聚變因此，聚變反應(yīng)又叫碰撞時(shí)發(fā)生聚變因此，聚變反應(yīng)

19、又叫熱核反應(yīng)目前，目前，熱核反應(yīng)熱核反應(yīng)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(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆太陽是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆二、受控?zé)岷朔磻?yīng)二、受控?zé)岷朔磻?yīng)（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(diǎn)：聚變與裂變相比的優(yōu)點(diǎn)：（2）地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富）地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富（3）輕核聚變更安全、清潔）輕核聚變更安全、清潔（4）2.實(shí)現(xiàn)核聚變的難點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)核聚變的難點(diǎn)：、熱核反應(yīng)的的點(diǎn)火溫度很高；、熱核反應(yīng)的的點(diǎn)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； 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

20、利用是利用等離子體 當(dāng)用強(qiáng)大的電流向核聚變?nèi)剂想怏w）放電時(shí)，就能產(chǎn)生幾千萬甚至上億攝氏度的高溫，同時(shí)使氘原子分離成帶正電的和帶負(fù)電的粒子，從而形成了“等離子體” 用強(qiáng)磁場(chǎng)能夠促使高溫下的帶電粒子會(huì)聚成細(xì)柱狀而用強(qiáng)磁場(chǎng)能夠促使高溫下的帶電粒子會(huì)聚成細(xì)柱狀而不飛散，這樣就能根據(jù)需要來控制核聚變反應(yīng)的速度不飛散，這樣就能根據(jù)需要來控制核聚變反應(yīng)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(gè)極小的焦斑，將具有巨大能量的激光用透鏡形成一個(gè)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(yīng)。焦斑處的

21、液態(tài)氘逐漸地向四周形成聚變反應(yīng)。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(gè)直徑約激光核聚變。它是在一個(gè)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(jié)冰的固體），內(nèi)充以高壓的氘一氚混合氣體（或結(jié)冰的固體），稱稱靶丸，然后用強(qiáng)功率的激光束均勻地從四面八方，然后用強(qiáng)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極短時(shí)間內(nèi)，向內(nèi)壓縮到很高密度（液體密散開的極短時(shí)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(yīng)。這種