5.3核力與結(jié)合能課件高二下學(xué)期物理人教版選擇性3

第五章原子核第3節(jié)

核力與結(jié)合能原子核是由中子和質(zhì)子構(gòu)成的。在原子核那樣狹小的空間里，是什么力量把帶正電的質(zhì)子緊緊地束縛在一起而不飛散開呢？新課引入課堂探究一、核力與四種基本相互作用現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，自然界存在著四種基本相互作用，即引力相互作用、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用、弱相互作用。物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，原子核中核子之間存在一種很強(qiáng)的相互作用，即存在一種核力，它使得核子緊密地結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的原子核。這種作用稱為強(qiáng)相互作用。19世界末20世紀(jì)初，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了放射現(xiàn)象。后來發(fā)現(xiàn)，在某些放射現(xiàn)象中起作用的還有另一種相互作用，稱為弱相互作用。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。1．四種基本相互作用在不同尺度上發(fā)揮作用(1)引力相互作用：引力主要在宏觀和宏觀尺度上“獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷”。是引力使行星繞著恒星轉(zhuǎn)，并且聯(lián)系著星系團(tuán)，決定著宇宙的現(xiàn)狀。萬有引力是長程力。(2)電磁相互作用：電磁力在原子核外，電磁力使電子不脫離原子核而形成原子，使原子結(jié)合成分子，使分子結(jié)合成液體和固體。(3)強(qiáng)力：即強(qiáng)相互作用，在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將核子束縛在一起，強(qiáng)力是短程力。(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。2．核力的性質(zhì)(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)。(2)核力是短程力。約在10－15m數(shù)量級(jí)時(shí)起作用，距離大于0.8×10－15m時(shí)為引力，距離小于0.8×10－15m時(shí)為斥力，距離為10×10－15m時(shí)核力幾乎消失。(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。核力與核子電荷無關(guān)。3．原子核中質(zhì)子與中子的比例關(guān)系(1)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，其中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的原子核，兩者相差越多。(2)形成原因：①若質(zhì)子與中子成對(duì)地人工構(gòu)建原子核，隨原子核的增大，核子間的距離增大，核力和電磁力都會(huì)減小，但核力減小得更快。所以當(dāng)原子核增大到一定程度時(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。②若只增加中子，因?yàn)橹凶优c其他核子沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)定，所以穩(wěn)定的重原子核中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。③由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，若再增大原子核，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)候再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的。例1

關(guān)于原子核中質(zhì)子和中子的說法，正確的是(

)A．原子核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)一定相等B．穩(wěn)定的重原子核里，質(zhì)子數(shù)比中子數(shù)多C．原子核都是非常穩(wěn)定的D．由于核力的作用范圍是有限的，核力具有飽和性，不可能無節(jié)制地增大原子核而仍穩(wěn)定存在解析：由穩(wěn)定核的質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的關(guān)系圖像可知，質(zhì)量越大的原子核內(nèi)中子數(shù)比質(zhì)子數(shù)多得越多，故A、B錯(cuò)誤；由核力作用特點(diǎn)可知，核子數(shù)越多的原子核越不穩(wěn)定，故C錯(cuò)誤，D正確。D典例精析二、結(jié)合能思考討論：如圖氦原子核是由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子憑借核力結(jié)合在一起的，要把它們分開，需要吸收能量。反過來，4個(gè)核子結(jié)合成氦原子核要放出能量。那么，把核子分開需要的能量與核子結(jié)合放出的能量有什么關(guān)系?課堂探究核子結(jié)合成原子核時(shí)放出的能量，或原子核分解成核子時(shí)所吸收的能量，都叫做原子核的結(jié)合能.1.結(jié)合能：原子核的結(jié)合能與其核子數(shù)之比，稱為比結(jié)合能.1）比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定.2.比結(jié)合能：核子數(shù)較小的輕核和核子數(shù)較大的重核，比結(jié)合能都較小，中等核子數(shù)的原子核，比結(jié)合能較大，即這樣的原子核比較穩(wěn)定.2）當(dāng)比結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化為比結(jié)合能較大的原子核時(shí)，就可釋放核能。3）

由圖可知，中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能最大，輕核和重核的比結(jié)合能都比中等質(zhì)量的原子核小。組成原子核的核子的總質(zhì)量與新原子核的質(zhì)量只差，叫做核的質(zhì)量虧損.1.定義：2.質(zhì)能方程：原子核釋放能量時(shí)，要產(chǎn)生質(zhì)量虧損.物體的能量與質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，即E=mc2ΔE=Δmc2或三、質(zhì)量虧損3）在核反應(yīng)中任然遵守能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律.4）質(zhì)量是物體具有能量多少及能量轉(zhuǎn)變多少的一種量度.質(zhì)量虧損并不是這部分質(zhì)量消失或轉(zhuǎn)化為能量，只是靜止質(zhì)量減少.2）物體的質(zhì)量包括靜止的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量.質(zhì)量虧損指的是靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量有關(guān)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量.1）3.說明：4．質(zhì)能方程與核能的計(jì)算(1)對(duì)質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的理解①質(zhì)能方程質(zhì)能方程：愛因斯坦的相對(duì)論指出，物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，其關(guān)系是E＝mc2。②質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消失，減少的質(zhì)量在核子結(jié)合成核的過程中以能量的形式輻射出去了。物體質(zhì)量增加，則總能量隨之增加；質(zhì)量減少，總能量也隨之減少，這時(shí)質(zhì)能方程也寫為ΔE＝Δmc2。(2)核能的計(jì)算方法①根據(jù)質(zhì)量虧損計(jì)算a.根據(jù)核反應(yīng)方程，計(jì)算核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損Δm。b.根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2計(jì)算核能。其中Δm的單位是千克，ΔE的單位是焦耳。②利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特計(jì)算根據(jù)1u≈931.5MeV的能量，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5MeV。其中Δm的單位是u，ΔE的單位是MeV。例2

取質(zhì)子的質(zhì)量mp＝1.6726×10－27kg，中子的質(zhì)量mn＝1.6749×10－27kg，α粒子的質(zhì)量mα＝6.6467×10－27kg，光速c＝3.0×108m/s。請(qǐng)計(jì)算α粒子的結(jié)合能。(計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)解析：組成α粒子的核子與α粒子的質(zhì)量差Δm＝(2mp＋2mn)－mα結(jié)合能ΔE＝Δmc2代入數(shù)據(jù)得ΔE＝4.3×10－12J。典例精析核能的兩種單位(1)若以kg為質(zhì)量虧損Δm的單位，則計(jì)算時(shí)應(yīng)用公式ΔE＝Δmc2。(2)若以原子單位“u”為質(zhì)量虧損單位，則ΔE＝Δm×931.5MeV。(3)兩種方法計(jì)算的核能的單位分別為“J”和“MeV”，1MeV＝1×106×1.6×10－19J＝1.6×10－13J。方法總結(jié)課堂達(dá)標(biāo)1.氦原子核由兩個(gè)質(zhì)子與兩個(gè)中子組成,這兩個(gè)質(zhì)子之間存在著萬有引力、庫侖力和核力,則三種力從大到小的順序是(

)A.核力、萬有引力、庫侖力

B.萬有引力、庫侖力、核力C.庫侖力、核力、萬有引力

D.核力、庫侖力、萬有引力解析：

核力是核子之間的一種強(qiáng)相互作用,其相互作用力巨大,遠(yuǎn)超過兩個(gè)質(zhì)子之間的庫侖力,兩質(zhì)子之間的萬有引力遠(yuǎn)小于庫侖力,故選項(xiàng)D正確.D

解析：結(jié)合能是把核子分開所需的最小能量,選項(xiàng)A正確;一重原子核衰變成α粒子和另一原子核,存在質(zhì)量虧損,核子比結(jié)合能增大,所以衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié)合能,選項(xiàng)B正確;核子數(shù)越多,結(jié)合能越大,選項(xiàng)C正確;比結(jié)合能也叫平均結(jié)合能,比結(jié)合能越大,分開核子所需的能量越大,原子核越穩(wěn)定,選項(xiàng)D錯(cuò)誤.ABC

解析：