核力與結(jié)合能公開課

1、核力與結(jié)合能公開課第1頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四第四節(jié) 核力與結(jié)合能目標(biāo)：1、知道核力的概念及其性質(zhì)。2、認(rèn)識(shí)原子核的結(jié)合能3、了解平均結(jié)合能。4、會(huì)利用質(zhì)能方程求解結(jié)合能。第2頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四回顧：原子核的組成 原子核是由質(zhì)子和中子組成的，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子第四節(jié) 核力與結(jié)合能提出問題：質(zhì)子間存在著巨大的庫倫斥力，那為什么質(zhì)子沒有被排斥開，反而還緊緊的結(jié)合在一起呢？猜想：萬有引力？第3頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四原子核的組成中子 質(zhì)子 統(tǒng)稱核子 U He H 1142235 92X AZ（核）

2、電荷數(shù)質(zhì)量數(shù) 一.原 子 核 的 組 成 1015m 元素符號(hào) 核力及其性質(zhì) 第4頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四一 核力及其性質(zhì)質(zhì)子相互間距r的數(shù)量級(jí)為10-15m；質(zhì)子質(zhì)量m的數(shù)量級(jí)為10-27kg，質(zhì)子電量e的數(shù)量級(jí)為10-19C；萬有引力常量G的數(shù)量級(jí)為10-11，靜電力常量k的數(shù)量級(jí)為109。估算庫侖力與萬有引力之比？解：分析論證結(jié)論：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。再猜想：在核子之間一定存在著第三種力，使核子能緊密的結(jié)合在一起。核力。第5頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四核力：能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一

3、起的強(qiáng)大的力叫做核力核力具有怎樣的特點(diǎn)呢？二、核力：第6頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四 2. 核力是短程力。約在 10-15m量級(jí)時(shí)起作用，距離大于0.810-15m時(shí)為引力, 距離為1010-15m時(shí)核力幾乎消失，距離小于0.810-15m時(shí)為斥力。 3. 核力具有飽和性。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。 4. 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)，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物夸克的相互作用。 1. 核力是四種相互作用中的強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）的一種表現(xiàn)。第7頁，共37頁，2022年，5月2

4、0日，5點(diǎn)18分，星期四除核力外原子核內(nèi)還存在 弱相互作用（弱力）弱力是引起中子質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因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。第8頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四*三、原子核中質(zhì)子與中子的比例自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對(duì)于較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多。為什么會(huì)這樣呢？原子核中的質(zhì)子數(shù)又稱為原子序數(shù)周期表中比較靠后的元素對(duì)應(yīng)的原子核叫重核，靠前的叫輕核。第9頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四原子核中質(zhì)子和中子的比例穩(wěn)定的輕核（原子序數(shù)小于20）的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)

5、有何特點(diǎn)？你能分析其中的原因嗎？ 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。第10頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四穩(wěn)定的重核（原子序數(shù)大于20）的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有何特點(diǎn)？你能分析其中的原因嗎？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

6、對(duì)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(huì)明顯大于質(zhì)子數(shù)。第11頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四原子核中質(zhì)子和中子的比例 不能；由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，如果我們我們繼續(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)即使再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的。若不斷增大原子核的中子數(shù)，能不斷增大原子核嗎？為什么？ 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)定的組合很快就瓦解了，只有200多種穩(wěn)定的原子核長(zhǎng)久地留了下來。現(xiàn)在觀察到的天然

7、放射性元素，則正在瓦解之中。第12頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四核越來越大，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，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，而只增加中子，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。 第13頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四 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)大到其間根本沒有

8、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。 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)定的組合很快就瓦解了，只有200多種穩(wěn)定的原子核長(zhǎng)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。第14頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四二 結(jié)合能要將原子核拆散成單個(gè)核子，一定需要吸收巨大的能量。根據(jù)功能關(guān)系，理由是什么？第15頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四 由于核子間存在著強(qiáng)大的核力，所以核子結(jié)合成原子核或原子核分解為核子時(shí)，都伴隨著巨大的能量變化 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

9、核力做功，必須吸收一定的能量反之，根據(jù)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)能量叫做原子核的結(jié)合能。結(jié)合能可以以光子的形式放出來。二、結(jié)合能分解：結(jié)合：為光子，其能量2.2MeV，反應(yīng)才能發(fā)生第16頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四二 結(jié)合能當(dāng)光子能量等于或大于2.22MeV時(shí)，這個(gè)反應(yīng)才會(huì)發(fā)生 一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核，要放出2.22MeV的能量 結(jié)合能：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第17頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四【思考】：結(jié)合能越大原子核是不是越難被拆散？ 即：結(jié)合能的大小能

10、不能反映原子核的穩(wěn)定程度？三 平均結(jié)合能如何才能反映原子核的穩(wěn)定程度？U-235Li-6第18頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四三 平均結(jié)合能1）概念：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比2）理解：核子結(jié)合成原子核時(shí)，平均每個(gè)核子所釋放的結(jié)合能，它也等于把原子核拆散成每個(gè)核子時(shí)，外界必須提供給每個(gè)核子的平均能量。 2、平均結(jié)合能：結(jié)合能核子數(shù)=3）意義：它反映了一個(gè)原子核穩(wěn)定程度。平均結(jié)合能越大，核越穩(wěn)定。第19頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四第20頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四從圖象上看，哪一種原子的平均結(jié)合能更大？第21頁，共3

11、7頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四四、質(zhì)量虧損中子的質(zhì)量 =1.67491027Kg 質(zhì)子的質(zhì)量 = 1.67261027Kg 中子和質(zhì)子的質(zhì)量和 = 3.34751027Kg 氘核的質(zhì)量 = 3.34361027Kg 質(zhì)量差 = 0.00391027Kg 問題分析：質(zhì)子與中子結(jié)合成氘核前后總質(zhì)量的差異第22頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四四、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)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質(zhì)量之和，叫做質(zhì)量虧損?？梢?，核反應(yīng)前后，總質(zhì)量并不相等！第23頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)

12、18分，星期四對(duì)比愛因斯坦質(zhì)能方程 E=mc2核子在結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)的質(zhì)量虧損m，與它們?cè)诨ハ嘟Y(jié)合過程中放出的能量是否存在某種對(duì)應(yīng)關(guān)系呢？質(zhì)量虧損的思考：E mc2？結(jié)論：以上等式確實(shí)成立，表明質(zhì)量虧損與能量變化有著密切的聯(lián)系第24頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四3、有關(guān)問題的理解和注意事項(xiàng)第一.核反應(yīng)過程中: 核子結(jié)合成原子核時(shí),新核質(zhì)量小于核子的質(zhì)量(質(zhì)量虧損),同時(shí)以光子形式釋放核能; 原子核分解為核子時(shí),需要吸收一定能量,核子的總質(zhì)量大于原原子核的質(zhì)量.第二.核反應(yīng)過程中,質(zhì)量虧損時(shí),核子個(gè)數(shù)不虧損(即質(zhì)量數(shù)守恒),可理解為組成原子核后,核內(nèi)每個(gè)核子仿佛“瘦了

13、”一些.第三.質(zhì)量虧損并非質(zhì)量消失,而是減少的質(zhì)量m以能量形式輻射(動(dòng)質(zhì)量),因此質(zhì)量守恒定律不被破壞.第25頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四第四.公式E=mc2 的單位問題國際單位: m用“kg” C用“m/s” E用“J”常用單位: m用“u(原子質(zhì)量單位)” 1u=1.66056610-27kg E用“uc2” 1uc2=931MeV (表示1u 的質(zhì)量變化相當(dāng)于931MeV的能量改變)P82問題與練習(xí) 3.第26頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四當(dāng)然，2.19MeV的能量的絕對(duì)數(shù)量并不算大，但這只是組成1個(gè)氘核所放出的能量如果組成的是6.0

14、21023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1摩的碳完全燃燒放出的能量為393.5103J折合為每個(gè)碳原子在完全燃燒時(shí)放出的能量只不過4eV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)十萬倍第五.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). 第27頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四 (1) 物體具有的能量跟它的質(zhì)量存在著簡(jiǎn)單正比關(guān)系.對(duì)質(zhì)能方程理解E=mc2的理解四 質(zhì)能方程 E=mc2（2）任何質(zhì)量為m的物體都具有大小相當(dāng)于mc2的能量。任何一部分能量也都與一定的質(zhì)量向?qū)?yīng)。（3）物體的質(zhì)量發(fā)生變化，相對(duì)應(yīng)的能量也會(huì)變化

15、。第28頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四m1m2m3根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2和能量守恒定律，推導(dǎo)出光子的能量(即氘核的結(jié)合能）并總結(jié)出求結(jié)合能的方法。方法：計(jì)算結(jié)合能時(shí)，先計(jì)算質(zhì)量虧損m，在帶入質(zhì)能方程求出結(jié)合能四 質(zhì)能方程 E=mc2E第29頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四計(jì)算結(jié)合能時(shí)，先計(jì)算質(zhì)量虧損m，在帶入質(zhì)能方程求出結(jié)合能方法：推廣推廣計(jì)算任意核反應(yīng)中釋放的核能，先計(jì)算質(zhì)量虧損m，在帶入質(zhì)能方程求出核能。核能質(zhì)量虧損三 質(zhì)能方程 E=mc2第30頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四【討論與交流】四 質(zhì)能方程 E=mc21

16、、質(zhì)量和能量是兩個(gè)完全不同的概念，它們表征的對(duì)象不同，相互之間不能轉(zhuǎn)化。下面說法是否正確。并說明理由。（1）由質(zhì)能方程E=mc2，可推得E=mc2,這說明質(zhì)量就是能量，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。2、質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量與能量的不可分割性，方程建立了這兩個(gè)屬性在數(shù)值上的關(guān)系。決不是這兩個(gè)量相互轉(zhuǎn)化。（2）關(guān)系式E=mc2中的質(zhì)量虧損表明在核反應(yīng)時(shí)質(zhì)量不守恒。第31頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四四 質(zhì)能方程 E=mc2【討論與交流】下面說法是否正確。并說明理由。（2）關(guān)系式E=mc2中的質(zhì)量虧損表明在核反應(yīng)時(shí)質(zhì)量不守恒。1、質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量?jī)刹糠纸M成2、 E=mc2中m

17、可以理解為靜止質(zhì)量的虧損， 也可以理解為釋放的能量E對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量增加3、因此質(zhì)量虧損不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為質(zhì)量減少，質(zhì)量虧損的本質(zhì)是靜止質(zhì)量的虧損轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，是質(zhì)量守恒在核反應(yīng)中的客觀體現(xiàn)m1m2m3E第32頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四 目標(biāo)檢測(cè)1、一下關(guān)于核力的說法正確的是 （ ）A、核力存在于任何核子之間B、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D、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)第33頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四 目標(biāo)檢測(cè)2、聯(lián)合國將2005年定為“國際物理年”，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

18、斯坦提出的質(zhì)能方程E=mc2，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B、 E=mc2中的E表示發(fā)生核反應(yīng)過程中釋放的核能C、 根據(jù)E= mc2 可以計(jì)算核反應(yīng)中釋放的核能D、 E= mc2 表示發(fā)生的質(zhì)量虧損 m轉(zhuǎn)變成為能量 E釋放出來A、C第34頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四3、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m1，氚核的質(zhì)量為m2，氦核的質(zhì)量為m3,中子的質(zhì)量為m4,則反應(yīng)過程中釋放的能量為： （ ） 目標(biāo)檢測(cè)A、C、D、B、C核反應(yīng)方程為：第35頁，共37頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)18分，星期四 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，同時(shí)輻射一個(gè)光子。已知質(zhì)子、中子、氘核的質(zhì)量分別為m1、m2、m3，普朗克常數(shù)為h，真空中的光速為c，下列說法正確的是（ ）A、核反應(yīng)方程是D、 光子的波長(zhǎng)C、輻射出的光子的能量 E=（m3-m