核力與結(jié)合能重核裂變-核聚變、粒子和宇宙講義

1、19.5 核力與結(jié)合能第一頁，共五十七頁。 ？mpmp庫侖力庫侖力萬有引力問題2：核子靠什么力結(jié)合成原子核？問題1：氦原子核中有兩個(gè)質(zhì)子，質(zhì)子質(zhì)量為mp=1.6710-27kg，帶電量為元電荷e=1.610-19C，原子核的直徑的數(shù)量級為10-15m，那么兩個(gè)質(zhì)子之間的庫侖斥力與萬有引力兩者相差多少倍?第二頁，共五十七頁。一、核力與四種基本相互作用20世紀(jì)初，人們知道自然界存在萬有引力和電磁力這兩種基本相互作用，請算出相同的距離上，兩質(zhì)子間的電磁力是萬有引力的多少倍？質(zhì)子間的電磁力是萬有引力的1035倍是什么作用使質(zhì)子在原子核內(nèi)共存？這種作用力有哪些特點(diǎn)？人們對這種相互作用的認(rèn)識還有哪些有待完

2、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。第三頁，共五十七頁。一、核力與四種基本相互作用2. 核力是短程力。約在 10-15m量級時(shí)起作用，距離大于0.810-15m時(shí)為引力, 距離為1.510-15m時(shí)核力幾乎消失，距離小于0.810-15m時(shí)為斥力，因此核子不會融合在一起。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)。在原子核尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多。3. 核力具有飽和性。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。 核力特點(diǎn)4. 核力具有電荷無關(guān)性。對給

3、定的相對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，核力與核子電荷無關(guān)。（P79）有待完善？小于0.810-15m時(shí)核力的變化規(guī)律還不清楚。第四頁，共五十七頁。一、核力與四種基本相互作用第四種基本相互作用就是弱相互作用，它有何作用？有何特點(diǎn)？ 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。 第五頁，共五十七頁。1.萬有引力：引力主要在宏觀和宇宙尺度上“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)，決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來。四種相互作用3.強(qiáng)相互作用：在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將核子束縛在一起。2.電磁力：在原子核外，電磁力使電子結(jié)合成分

4、子，使分子結(jié)合成液體與固體。電磁力和萬有引力都是“長程力”，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4.弱相互作用：弱相互作用是引起原子核衰變的原因，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1018m，作用強(qiáng)度則比電磁力小。 物理學(xué)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？一、核力與四種基本相互作用第六頁，共五十七頁。1、自然界中穩(wěn)定核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有何特點(diǎn)？這個(gè)現(xiàn)象如何解釋？2、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？3、將一個(gè)質(zhì)子和中子結(jié)合在一起，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？若要把它們分開，需要什么條件？4、結(jié)合能是原子具有的能量嗎

5、？如何理解結(jié)合能？5、結(jié)合能的大小與核子數(shù)有關(guān)嗎？6、什么是比結(jié)合能？為什么說比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合越牢固、原子越穩(wěn)定？思考第七頁，共五十七頁。二、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)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(yuǎn)大于電磁力，即使質(zhì)子和中子成對出現(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。第八頁，共五十七頁。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？二、原子核中質(zhì)子和

6、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，由于核力的飽和性，核力會因?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)。第九頁，共五十七頁。三、結(jié)合能將一個(gè)質(zhì)子和中子結(jié)合在一起，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？若要把它們分開，需要什么條件？宏觀模型：相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)物體，由于萬有引力而相互接近，運(yùn)動(dòng)速度越來越大，引力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能最后撞在一起，動(dòng)能變成它們的內(nèi)能散失掉了。兩個(gè)物體為了結(jié)合而付出了代價(jià)失去了

7、一些能量，如果要把它們分開，還要重新賦予它們這份能量。 微觀模型：原子核是核子結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能。 類比分析：要使基態(tài)氫原子電離，也就是要從氫原子中把電子剝離，需要通過碰撞、施加電場、賦予光子等某種途徑讓它得到13.6eV 的能量。這個(gè)能量實(shí)際上就是電子與氫原子核的結(jié)合能，不過通常把它叫做氫原子的電離能，而結(jié)合能一詞只用在原子核中 第十頁，共五十七頁。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

8、量第十一頁，共五十七頁。結(jié)合能是原子擁有的能量嗎？如何理解結(jié)合能？三、結(jié)合能 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)，要吸收同樣的能量。這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能。 結(jié)合能不是由于核子結(jié)合成原子核而擁有的能量，而是為把核子分開而需要的能量。結(jié)合能的大小與什么因素有關(guān)？ 組成原子核的核子數(shù)，組成原子核的核子數(shù)越多，結(jié)合能越大。第十二頁，共五十七頁。結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能。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。因?yàn)楸冉Y(jié)合能越大，將每個(gè)核子分開 所需的能量 越大。三、結(jié)合能什么是比結(jié)合能？為什么說比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合越牢固、原子越

9、穩(wěn)定？第十三頁，共五十七頁。7、物體的質(zhì)量和能量有何關(guān)系？若一個(gè)物體質(zhì)量減小了m，那么它的能量減小多少？8、將一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)氘核，能量減小了，是否違反了能量守恒定律？為什么？9、將一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)氘核，質(zhì)量減小了，是否違反了質(zhì)量守恒定律？為什么？10、什么是質(zhì)量虧損？質(zhì)量虧損表明什么？11、若要釋放結(jié)合能，我們可以怎么做？為什么？思考第十四頁，共五十七頁。四、質(zhì)量虧損物體的質(zhì)量和能量有何關(guān)系？若一個(gè)物體質(zhì)量減小了m，那么它的能量減小多少？ 愛因斯坦的質(zhì)能方程：Emc2， 能量變化 E=mc2第十五頁，共五十七頁。四、質(zhì)量虧損已知中子的質(zhì)量 mn=1.674910-27

10、kg ，質(zhì)子的質(zhì)量為 mp=1.672610-27kg ，氘核的質(zhì)量mD=3.343610-27kg 。將一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)氘核，質(zhì)量減小了多少？能量減小了多少？氘核的結(jié)合能是多少？比結(jié)合能是多少？質(zhì)量減小量: m=( mp+ mn)- mD=0.003910-27kg；能量減小量: E=m c2=3.5110-13J=2.19106eV；結(jié)合能:E=m c2=2.19MeV；比結(jié)合能為:E/n=E/2=1.10MeV 。第十六頁，共五十七頁。四、質(zhì)量虧損將一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)氘核，能量減小了，是否違反了能量守恒定律？為什么？ 沒有違反能量守恒定律；減小的這部分能量以光子釋放

11、出去。將一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)氘核，質(zhì)量減小了，是否違反了質(zhì)量守恒定律？為什么？ 沒有違反質(zhì)量守恒定律；減小的那部分質(zhì)量等于光子的動(dòng)質(zhì)量。第十七頁，共五十七頁。什么是質(zhì)量虧損？質(zhì)量虧損表明什么？四、質(zhì)量虧損 原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和，這個(gè)現(xiàn)象稱為質(zhì)量虧損。質(zhì)量虧損表明，的確存在著原子核的結(jié)合能。如右圖，哪些原子核最穩(wěn)定，為什么？ 中等大小的核最穩(wěn)定，因?yàn)檫@些核的比結(jié)合能最大（平均每個(gè)核子的質(zhì)量虧損最大）。第十八頁，共五十七頁。四、質(zhì)量虧損若要釋放結(jié)合能，我們可以怎么做？為什么？ 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

12、核，或者把較小的核合并成中等大小的核，核子的比結(jié)合能都會增加，即核子將發(fā)生新的質(zhì)量虧損，釋放新的核能。第十九頁，共五十七頁。核子平均質(zhì)量核子的平均質(zhì)量與原子序數(shù)之間的關(guān)系第二十頁，共五十七頁。 目標(biāo)檢測1、以下關(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)第二十一頁，共五十七頁。 目標(biāo)檢測2、聯(lián)合國將2005年定為“國際物理年”，以紀(jì)念愛因斯坦對物理學(xué)的巨大貢獻(xiàn)。對于愛因斯坦提出的質(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

13、=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第二十二頁，共五十七頁。3、當(dāng)氘核和氚核聚合成氦核時(shí)會釋放大量能量，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A、C、D、B、C核反應(yīng)方程為：第二十三頁，共五十七頁。 目標(biāo)檢測（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

14、應(yīng)方程是D、 光子的波長C、輻射出的光子的能量 E=（m3-m1-m2)c2B、聚變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損m=m1+m2-m3B第二十四頁，共五十七頁。 小結(jié)1、核子之間的強(qiáng)相互作用力叫_。主要特點(diǎn)是_,_.2、當(dāng)核子結(jié)合成原子核時(shí)要_ (“吸收”或“放出”)一定的能量，原子核分解成核子時(shí)，要_ (“吸收”或“放出”)同樣的能量，這個(gè)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_,平均結(jié)合能_ (“越大”“越小”)表示原子核中核子結(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：核力短程力強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）吸收放出平均結(jié)合能越大第二十五頁，共五十七頁。19.6 重核的裂變第二十六頁，共

15、五十七頁。核反應(yīng)原子核 在核物理學(xué)中，原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程，稱為核反應(yīng)第二十七頁，共五十七頁。 物理學(xué)中把重核分裂成質(zhì)量較小的核，釋放核能的反應(yīng)叫做裂變把輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，釋放出核能的反映叫做聚變一、裂變聚變裂變第二十八頁，共五十七頁。1939年12月，德國物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)，用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核發(fā)生了裂變。鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，一種典型的反映是裂變?yōu)殇^和氪，同時(shí)放出三個(gè)中子，其核反應(yīng)方程是：鈾核的裂變+裂變中釋放出巨大的能量，在上述裂變中，裂變后的總質(zhì)量小于裂變前的總質(zhì)量，質(zhì)量虧損：釋放出的能量為第二十九頁，共五十七頁。1kg鈾全部裂變，

16、它放出的能量超過2000t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)釋放的能量第三十頁，共五十七頁。由裂變重核裂變產(chǎn)生的中子使反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)使裂變物資能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫做它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量。用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核發(fā)生了裂變，釋放出的中子又引起了其他鈾核的裂變，也就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)第三十一頁，共五十七頁。原子彈第三十二頁，共五十七頁。原子彈中國第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖第三十三頁，共五十七頁。解決能源危機(jī)根本途徑核能 可開發(fā)的核裂變?nèi)剂腺Y源可使用上千年。核聚變資源可使用幾億年。二、核電站第三十四頁，共五十七頁。水泥防護(hù)層控制棒鎘棒燃料棒鈾棒減速劑鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

17、的應(yīng)用核電站慢中子反應(yīng)堆二、核電站第三十五頁，共五十七頁。核能-解決能源危機(jī)的根本途徑核發(fā)電量占總發(fā)電比例最多的10個(gè)國家是：法國 75% 立陶宛 73.1% 比利時(shí) 57.7% 保加利亞 47.1% 斯洛伐克 47% 瑞典 46.8% 烏克蘭 43.8% 韓國 42.8% 匈牙利 38.3% 亞美尼亞 36.4%世界核能發(fā)電占全部電量1/4 第三十六頁，共五十七頁。核電站秦山核電站核電站大亞灣核電站核燃料鈾235第三十七頁，共五十七頁。第七節(jié)核 聚 變第三十八頁，共五十七頁。復(fù)習(xí)：1.核裂變、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的概念？鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件？2.什么是核反應(yīng)堆？它由哪些組成？各自作用是什么？核電站概念？鈾核裂

18、變的兩種常見方式？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-核反應(yīng)堆。 核反應(yīng)堆是可以進(jìn)行核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，并對其輸出功率能夠安全地進(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，并且高效率地將熱能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備。第三十九頁，共五十七頁。核子平均質(zhì)量核子的平均質(zhì)量與原子序數(shù)之間的關(guān)系裂變聚變第四十頁，共五十七頁。在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，聚變比裂變能釋放更多的能量一、核聚變1.概念：輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，釋放出核能的反應(yīng)第四十一頁，共五十七頁。例如：一個(gè)氘核和一個(gè)氚核結(jié)合成一個(gè)氦核（同時(shí)放出一個(gè)中子）時(shí)，釋放17.6MeV的能量，平均每個(gè)核子放出的能量在3M

19、eV以上，比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子釋放的能量大34倍這時(shí)的核反應(yīng)方程式是：第四十二頁，共五十七頁。輕核的聚變:第四十三頁，共五十七頁。如何能使輕核發(fā)生聚變呢1、必須讓輕核的距離非常接近2、必須讓輕核具有很大的動(dòng)能需要克服極大的庫侖斥力第四十四頁，共五十七頁。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，在碰撞時(shí)發(fā)生聚變因此，聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)第四十五頁，共五十七頁。目前，熱核反應(yīng)主要用在核武器上氫彈氫彈原理圖太陽是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆第四十六頁，共五十七頁。二、受控?zé)岷朔?/p>

20、應(yīng)（1）輕核聚變產(chǎn)能效率高1.聚變與裂變相比的優(yōu)點(diǎn)：相同的核燃料釋放的能量多（2）地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富（3）輕核聚變更安全、清潔（4）反應(yīng)中放射物質(zhì)的處理較易2.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； 、如何約束聚變所需的燃料； 第四十七頁，共五十七頁。磁約束目前，解決這些難題的途徑之一是利用等離子體 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)磁場能夠促使高溫下的帶電粒子會聚成細(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 第四十八頁，共五十七頁。慣性約束將具有巨大能

21、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，可使處在焦斑處的液態(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第四十九頁，共五十七頁。慣性約束與激光核聚變 激光核聚變。它是在一個(gè)直徑約100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），稱靶丸，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)。這種聚變方法就稱為激光核聚變或激光“聚爆”。 它的特點(diǎn)是靠自身的慣性來約束的。第五十頁，共五十七頁。再創(chuàng)造一個(gè)太陽！反應(yīng)堆解決能源問題是當(dāng)今社會的一個(gè)最急迫的問題，而最讓人注目的就是-熱核反應(yīng)第五十一頁，共五十七頁。第八節(jié)粒 子 和 宇 宙第五十二頁，共五十七頁。一、“基本