第19章(五六七八)核力與結(jié)合能-重核裂變-核聚變、粒子和宇宙

§19.5核力與結(jié)合能一、核力與四種基本相互作用①20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(qǐng)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②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(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2.

核力是短程力。約在10-15m量級(jí)時(shí)起作用，距離大于0.8×10-15m時(shí)為引力,距離為1.5×10-15m時(shí)核力幾乎消失，距離小于0.8×10-15m時(shí)為斥力，因此核子不會(huì)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(duì)給定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，核力與核子電荷無關(guān)。（P79）有待完善？

小于0.8×10-15m時(shí)核力的變化規(guī)律還不清楚。一、核力與四種基本相互作用③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β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10-18m，作用強(qiáng)度比電磁力弱。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)合成分子，使分子結(jié)合成液體與固體。電磁力和萬有引力都是“長(zhǎng)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β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10－18m，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。能否將這四條理論統(tǒng)一起來呢？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①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(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。②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)。三、結(jié)合能①將一個(gè)質(zhì)子和中子結(jié)合在一起，會(huì)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(shì)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(chǎng)、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

②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。③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。

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④什么是比結(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？四、質(zhì)量虧損①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：E＝mc2，

能量變化ΔE=Δm·c2四、質(zhì)量虧損②已知中子的質(zhì)量mn=1.6749×10-27kg，質(zhì)子的質(zhì)量為mp=1.6726×10-27kg，氘核的質(zhì)量mD=3.3436×10-27kg。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=0.0039×10-27kg；能量減小量:

△E=△m

c2=3.51×10-13J=2.19×106eV；結(jié)合能:△E=△m

c2=2.19MeV；比結(jié)合能為:△E/n=△E/2=1.10MeV。四、質(zhì)量虧損③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γ光子釋放出去。④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γ光子的動(dòng)質(zhì)量。⑤什么是質(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。⑥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）。四、質(zhì)量虧損⑦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。19.6重核的裂變核反應(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)．

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1939年12月，德國(guó)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1kg鈾全部裂變，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．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)．原子彈原子彈中國(guó)第一顆原子彈爆炸蘑菇云發(fā)展圖解決能源危機(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、核電站水泥防護(hù)層控制棒——鎘棒燃料棒—鈾棒減速劑鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的應(yīng)用——

核電站慢中子反應(yīng)堆二、核電站核能----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(guó)家是：法國(guó)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(guó)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

核電站－－－－秦山核電站核電站－－－－大亞灣核電站核燃料————鈾235第七節(jié)核聚變復(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(duì)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。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?cè)谙南嗤|(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)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3MeV以上，比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子釋放的能量大3～4倍．這時(shí)的核反應(yīng)方程式是：輕核的聚變:根據(jù)所給數(shù)據(jù),計(jì)算下面核反應(yīng)放出的能量:氘核的質(zhì)量：mD＝2.014102u氚核的質(zhì)量：mT＝3.016050u氦核的質(zhì)量：mα＝4.002603u中子的質(zhì)量：mn=1.008665u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)．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)堆二、受控?zé)岷朔磻?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?chǔ)量豐富（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)：１、熱核反應(yīng)的的點(diǎn)火溫度很高；２、如何約束聚變所需的燃料；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(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，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。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(huì)的一個(gè)最急迫的問題，而最讓人注目的就是

-------熱核反應(yīng)第八節(jié)粒子和宇宙一、“基本粒子”不基本二、發(fā)現(xiàn)新粒子1932年發(fā)現(xiàn)了正電子1937年發(fā)現(xiàn)了μ子1947年發(fā)現(xiàn)了