19-5核力與結(jié)合能ppt課件

1、5、 核力與結(jié)合能,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，你能算出相同的距離上，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,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)識還有哪些有待完善？,2. 核力是短程力。作用

2、范圍在1.510-15m之內(nèi)，大于0.810-15m時(shí)為吸引力, 隨距離增大而減小，超過1.510-15m時(shí)核力幾乎消失，小于0.810-15m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。,特 點(diǎn),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)。（見書本P79圖）,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)識還有哪些有待完善？,小于0.810-15m時(shí)核力的變化規(guī)律還不

3、清楚。,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10-18m，作用強(qiáng)度比電磁力小。,1.萬有引力：引力主要在宏觀和宇觀尺度上“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)

4、，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,一、核力與四種基本相互作用,典例探究,例1.從以下幾個(gè)方面比較核反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)的相同和不同之處 （1）它們分別涉及四種基本相互作用的哪一種？ （2）每種反應(yīng)分別改變了或重新安排了什么？,二、原子核中質(zhì)子和中子的比例,自然界中穩(wěn)定核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有何特點(diǎn)？,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)，

5、越重的元素，兩者相差越多。,這個(gè)現(xiàn)象如何解釋？,二、原子核中質(zhì)子和中子的比例,可以設(shè)想，我們把質(zhì)子與中子成對地放在一起，人工構(gòu)建原子核，它的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)相等。人工核越來越大，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)子之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質(zhì)子和中子，而只增加中子，中子與其他核子沒有庫侖力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)定。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。,二、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

6、，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。 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。,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？,三、結(jié)合能,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？,宏觀例子：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)失去了一些能量，如果要把它們分

7、開，還要重新賦予它們這份能量。,概念：原子核是核子憑借核力結(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、讓氫原子吸收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,結(jié)合能是原子具有的能量嗎？如何理解結(jié)合能？,三、結(jié)合能,原子核是核子憑借核力結(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。 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。,結(jié)合能的大

8、小與核子數(shù)有關(guān)嗎？,組成原子核的核子越多，它的結(jié)合能越高。,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、原子越穩(wěn)定？,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)量變化了m，那么它的能量變化多少？,愛因斯坦的質(zhì)能方程：Emc2， 能量變化E=mc2,已知中子的質(zhì)量mn=1.674910-27kg，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)

9、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？,四、質(zhì)量虧損,已知中子的質(zhì)量mn=1.674910-27kg，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 。,當(dāng)然，2.19M

10、eV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6.021023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393.5103J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,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.,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？

11、,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。,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）。,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。,原子核比結(jié)合能越大，原子核內(nèi)核子平均質(zhì)量越小。,四、質(zhì)量虧損,ACD,四、質(zhì)量虧