核力與結(jié)合能公開課

核力與結(jié)合能公開課第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一第四節(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?！锏?頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一回顧：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，2023年，2月20日，星期一原子核的組成中子

質(zhì)子統(tǒng)稱核子

UHeH114223592XAZ（核）電荷數(shù)質(zhì)量數(shù)

一.原子核的組成

10－15m

元素符號

核力及其性質(zhì)第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一一核力及其性質(zhì)質(zhì)子相互間距r的數(shù)量級為10-15m；質(zhì)子質(zhì)量m的數(shù)量級為10-27kg，質(zhì)子電量e的數(shù)量級為10-19C；萬有引力常量G的數(shù)量級為10-11，靜電力常量k的數(shù)量級為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?！肆Α５?頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一核力：能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一起的強(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，2023年，2月20日，星期一

2.核力是短程力。約在10-15m量級時(shí)起作用，距離大于0.8×10-15m時(shí)為引力,距離為10×10-15m時(shí)核力幾乎消失，距離小于0.8×10-15m時(shí)為斥力。3.核力具有飽和性。核子只對相鄰的少數(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。對給定的相對運(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，2023年，2月20日，星期一除核力外原子核內(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10－18m，作用強(qiáng)度則比電磁力小。第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一*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應(yīng)的原子核叫重核，靠前的叫輕核。第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一原子核中質(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10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一②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？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，2023年，2月20日，星期一原子核中質(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。③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)定的原子核長久地留了下來?，F(xiàn)在觀察到的天然放射性元素，則正在瓦解之中。第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一核越來越大，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，2023年，2月20日，星期一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)定的原子核長久地留了下來?，F(xiàn)在觀察到的天然放射性元素，則正在瓦解之中。第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一二結(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，2023年，2月20日，星期一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：γ為光子，其能量≥2.2MeV，反應(yīng)才能發(fā)生第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一二結(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，2023年，2月20日，星期一【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，2023年，2月20日，星期一三平均結(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，2023年，2月20日，星期一第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一從圖象上看，哪一種原子的平均結(jié)合能更大？第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一四、質(zhì)量虧損中子的質(zhì)量=1.6749×10－27Kg質(zhì)子的質(zhì)量=1.6726×10－27Kg中子和質(zhì)子的質(zhì)量和=3.3475×10－27Kg

氘核的質(zhì)量=3.3436×10－27Kg質(zhì)量差=0.0039×10－27Kg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，2023年，2月20日，星期一四、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?？梢姡朔磻?yīng)前后，總質(zhì)量并不相等！第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一對比愛因斯坦質(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Δm，與它們在互相結(jié)合過程中放出的能量是否存在某種對應(yīng)關(guān)系呢？質(zhì)量虧損的思考：ΔE

Δm·c2？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，2023年，2月20日，星期一3、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”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，2023年，2月20日，星期一第四.公式ΔE=Δm·c2

的單位問題國際單位:m用“kg”C用“m/s”ΔE用“J”常用單位:m用“u(原子質(zhì)量單位)”1u=1.660566×10-27kgΔE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，2023年，2月20日，星期一當(dāng)然，2.19MeV的能量的絕對數(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6.02×1023個(gè)氘核時(shí)，放出的能量就十分可觀了．與之相對照的是，使1摩的碳完全燃燒放出的能量為393.5×103J．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.

第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一(1)

物體具有的能量跟它的質(zhì)量存在著簡單正比關(guān)系.對質(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，相對應(yīng)的能量也會(huì)變化。第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一m1m2m3根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2和能量守恒定律，推導(dǎo)出γ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Δm，在帶入質(zhì)能方程求出結(jié)合能四質(zhì)能方程

E=mc2ΔE第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一計(jì)算結(jié)合能時(shí)，先計(jì)算質(zhì)量虧損Δm，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Δm，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，2023年，2月20日，星期一【討論與交流】四質(zhì)能方程E=mc21、質(zhì)量和能量是兩個(gè)完全不同的概念，它們表征的對象不同，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ΔE=Δmc2,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ΔE=Δmc2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，2023年，2月20日，星期一四質(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ΔE=Δmc2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)量兩部分組成2、ΔE=Δmc2中Δm可以理解為靜止質(zhì)量的虧損，

也可以理解為釋放的能量ΔE對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量增加3、因此質(zhì)量虧損不能簡單地認(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)m1m2m3ΔE第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一

目標(biāo)檢測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，2023年，2月20日，星期一

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=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)ΔE=Δmc2可以計(jì)算核反應(yīng)中釋放的核能D、Δ

E=Δ

mc2表示發(fā)生的質(zhì)量虧損Δm轉(zhuǎn)變成為能量Δ

E釋放出來A、C第34頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一3、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