核力與結(jié)合能

第五節(jié)核力與結(jié)合能第1頁，共21頁。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核力及其性質(zhì)元素符號第2頁，共21頁。

原子核的半徑約為10-15m,只相當(dāng)原子半徑的萬分之一。在這么小的空間里帶正電的質(zhì)子與質(zhì)子間的庫侖斥力是很大，萬有引力太小，只有庫侖力的10-36。而通常原子核是穩(wěn)定的,于是核內(nèi)還應(yīng)有另一種力把各種核子緊緊拉在一起,此力稱為核力。核力mpmp庫侖力庫侖力萬有引力萬有引力核力核子靠什么力結(jié)合成原子核？第3頁，共21頁。核力：能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一起的強大的力叫做核力．核力具有怎樣的特點呢？二、核力：第4頁，共21頁。

2.核力是短程力。約在10-15m量級時起作用，距離×10-15m時為引力,距離為10×10-15m時核力幾乎消失，距離×10-15m時為斥力。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。對給定的相對運動狀態(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相互作用（強力）的一種表現(xiàn)。第5頁，共21頁。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，力程比強力更短，為10－18m，作用強度則比電磁力小。第6頁，共21頁。3.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數(shù)量級.在宇宙演化的進程中，各種粒子有機會進行各種組合，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?？梢?，核反應(yīng)前后，總質(zhì)量并不相等！6022×10-19)eV1uc2=931MeV(2)碳原子的質(zhì)量是12.核子結(jié)合成原子核時，質(zhì)量減少。對比愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2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(動質(zhì)量),因此質(zhì)量守恒定律不被破壞.6606×10-27×(2.0039×10－27Kg9979×108m/s，1eV=1.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。*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7頁，共21頁。核越來越大，有些核子間的距離越來越遠。隨著距離的增加，核力與電磁力都會減小，但核力減小得更快。所以，原子核大到一定程度時，相距較遠的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個原子核就不穩(wěn)定了。這時，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。由于這個原因，穩(wěn)定的重原子核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。第8頁，共21頁。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大到其間根本沒有核力的作用，這時即使再增加中子也無濟于事，這樣的核必然是不穩(wěn)定的。在宇宙演化的進程中，各種粒子有機會進行各種組合，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9頁，共21頁。由于核子間存在著強大的核力，所以核子結(jié)合成原子核或原子核分解為核子時，都伴隨著巨大的能量變化．可見，由于核子間存在強大的核力，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，也會放出同樣多的能量。這個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。四、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10頁，共21頁。結(jié)合能并不是由于核子結(jié)合成原子核而具有的能量，而是為把核子分開而需要的能量或者結(jié)合成原子核需要放出的能量。比結(jié)合能：結(jié)合能與核子數(shù)之比。也叫平均結(jié)合能說明：

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。第11頁，共21頁。從圖象上看，哪一種原子的比結(jié)合能更大？第12頁，共21頁。ΔE=Δm·c2的單位問題6606×10-27×(2.比結(jié)合能越大，表示原子核中核子6606×10-27×(2.弱相互作用也是短程力，力程比強力更短，為10－18m，作用強度則比電磁力小。證明：由愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2得1u對應(yīng)能量為比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合能可以以光子的形式放出來。問題分析：質(zhì)子與中子結(jié)合成氘核前后總質(zhì)量的差異可見，由于核子間存在強大的核力，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，也會放出同樣多的能量。隨著距離的增加，核力與電磁力都會減小，但核力減小得更快。1uc2=931MeV×10-27kgΔE用“uc2”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13頁，共21頁。四、質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損：原子分解為核子時，質(zhì)量增加；核子結(jié)合成原子核時，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14頁，共21頁。對比愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2核子在結(jié)合成原子核時出現(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：以上等式確實成立，表明質(zhì)量虧損與能量變化有著密切的聯(lián)系第15頁，共21頁。3、有關(guān)問題的理解和注意事項第一.核反應(yīng)過程中:

核子結(jié)合成原子核時,新核質(zhì)量小于核子的質(zhì)量(質(zhì)量虧損),同時以光子形式釋放核能;

原子核分解為核子時,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,核子個數(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(動質(zhì)量),因此質(zhì)量守恒定律不被破壞.第16頁，共21頁。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)”×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)P39問題與練習(xí)3.第17頁，共21頁。當(dāng)然，的能量的絕對數(shù)量并不算大，但這只是組成1個氘核所放出的能量．如果組成的是×1023個氘核時，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×103J．折合為每個碳原子在完全燃燒時放出的能量只不過4eV．若跟上述核反應(yīng)中每個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數(shù)量級.第18頁，共21頁。課堂練習(xí):(1)試證明，1原子質(zhì)量單位u相當(dāng)于931.50MeV的能量．1u=1.6606×10-27kg，光速c=2.9979×108m/s，1eV=1.6022×10-19J．證明：由愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2得1u對應(yīng)能量為E=mc2=1.6606×10-27×(2.9979×108)2J=1.4924×

10-10J=(1.4924×

10-10/1.6022×10-19)eV=931.50×106eV=931.50MeV第19頁，共21頁。課堂練習(xí):(2