ddd19.5核力与结合能(可上课直接用).ppt
19.5 核力与结合能,回顾：原子核的组成,在原子核那样狭小的空间里，带正电的质子为什么能够挤在一起而不飞散？猜想：万有引力？,验证：间距r 数量级10-15m；质量m 数量级10-27kg；电量q 数量级10-19C；引力常量G数量级10-11；静电力常量 k 数量级109。结论：万有引力只有库仑力的10-35到10-36倍。核子不可能靠自身万有引力抗衡库仑斥力。猜想：存在第三种力核力，是核力把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。,一、核力与四种基本相互作用,这种作用力有哪些特点？人们对这种相互作用的认识还有哪些地方有待完善？,核力：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。,一、核力与四种基本相互作用,2.核力是短程力。约在 10-15m量级时起作用，距离大于0.810-15m时为引力,距离为1010-15m时核力几乎消失，距离小于0.810-15m时为斥力，因此核子不会融合在一起。,1.核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。,3.核力具有饱和性。每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。,特 点,4.核力具有电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。（见书本P79图）,小于0.810-15m时核力的变化规律还不清楚。,一、核力与四种基本相互作用,弱相互作用是引起原子核发生衰变的原因,即引起中子质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为10-8m，作用强度比电磁力弱。,人们对这种相互作用的认识还有哪些有待完善？,第四种基本相互作用就是弱相互作用，它有何作用？有何特点？,1.万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，决定了宇宙的现状和未来。,四种相互作用,3.强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。,2.电磁力：在原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分子结合成液体与固体。电磁力和万有引力都是“长程力”，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小,4.弱相互作用：弱相互作用是引起原子核衰变的原因，即引起中子质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为1018m，作用强度则比电磁力小。,物理学有一条理论：叫做简单才是美。能否将这四条理论统一起来呢？,一、核力与四种基本相互作用,一、核力与四种基本相互作用,典例探究,例1.从以下几个方面比较核反应与化学反应的相同和不同之处（1）它们分别涉及四种基本相互作用的哪一种？（2）每种反应分别改变了或重新安排了什么？,二、原子核中质子和中子的比例,稳定的轻核（原子序数小于20）的质子数和中子数有何特点？你能分析其中的原因吗？,轻核（原子序数小于20）的质子数和中子数大致相等；对轻核而言，核子数量相对较小，核子间距处于核力作用范围之内，由于核力远大于电磁力，即使质子和中子成对出现，强大的核力也可以将核子紧紧地束缚在原子核的范围之内，形成稳定的原子核。,稳定的重核（原子序数大于20）的质子数和中子数有何特点？你能分析其中的原因吗？,二、原子核中质子和中子的比例,重核（原子序数大于20）的质子数小于中子数；对于重核而言，核子数量大，核子间距也大，由于核力的饱和性，核力会因为核子间距的变大而大幅度减小，甚至小于电磁力。如果质子和中子再成对出现，原子核不稳定；如果只增加中子，由于中子之间不存在库仑力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以重核内中子数会明显大于质子数。,二、原子核中质子和中子的比例,不能；由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果我们我们继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。,若不断增大原子核的中子数，能不断增大原子核吗？为什么？,三、结合能,将一个质子和中子结合在一起，会产生什么现象？若要把它们分开，需要什么条件？,宏观模型：相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，运动速度越来越大，引力势能转化为动能最后撞在一起，动能变成它们的内能散失掉了。两个物体为了结合而付出了代价失去了一些能量，如果要把它们分开，还要重新赋予它们这份能量。,微观模型：原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。,类比分析：要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、赋予光子等某种途径让它得到13.6eV 的能量。这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能，不过通常把它叫做氢原子的电离能，而结合能一词只用在原子核中,结合能是原子具有的能量吗？如何理解结合能？,三、结合能,当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量。这个能量叫做原子核的结合能。结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把核子分开而需要的能量。,结合能的大小与什么因素有关？,组成原子核的核子数，组成原子核的核子数越多，结合能越大。,结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。因为比结合能越大，将每个核子分开所需的能量越大。,三、结合能,什么是比结合能？为什么说比结合能越大，原子核中核子结合越牢固、原子越稳定？,四、质量亏损,物体的质量和能量有何关系？若一个物体质量减小了m，那么它的能量减小多少？,爱因斯坦的质能方程：Emc2，能量减小E=mc2,已知中子的质量mn=1.674910-27kg，质子的质量为mp=1.672610-27kg，氘核的质量mD=3.343610-27kg。将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了多少？能量减小了多少？氘核的结合能是多少？比结合能是多少？,四、质量亏损,已知中子的质量mn=1.674910-27kg，质子的质量为mp=1.672610-27kg，氘核的质量mD=3.343610-27kg。将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了多少？能量减小了多少？氘核的结合能是多少？比结合能是多少？,质量减小量:m=(mp+mn)-mD=0.003910-27kg；能量减小量:E=m c2=3.5110-13J=2.19106eV；结合能:E=m c2=2.19MeV；比结合能为:E/n=E/2=1.10MeV。,四、质量亏损,将一个质子和一个中子结合成一个氘核，能量减小了，是否违反了能量守恒定律？为什么？,没有违反能量守恒定律；减小的这部分能量以光子释放出去。,将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了，是否违反了质量守恒定律？为什么？,没有违反质量守恒定律；减小的那部分质量等于光子的动质量。,什么是质量亏损？质量亏损表明什么？,四、质量亏损,原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象称为质量亏损。质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。,如右图，哪些原子核最稳定，为什么？,中等大小的核最稳定，因为这些核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大）。,四、质量亏损,若要释放结合能，我们可以怎么做？为什么？,使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等质量的核,聚变,裂变,典例探究,四、质量亏损,ACD,典例探究,四、质量亏损,例3.碳原子质量的1/12叫做原子质量单位，用u表示。试证明1u相当于931MeV。,证明：碳原子的摩尔质量为M=12g/mol，所以一个碳原子质量为m=M/NA=1.99310-26kg 所以1u=m/12=M/12NA=1.660610-27kg 代入公式E=mc2得：E=1.492410-10J=931MeV 得证,1、核子结合成原子核，新核质量小于核子的质量(质量亏损)，同时以光子形式释放核能;原子核分解为核子时，需要吸收一定能量,核子的总质量大于原原子核的质量.2、核反应过程中，质量亏损时，核子个数不亏损(即质量数守恒)，可理解为组成原子核后,核内每个核子仿佛“瘦了”一些.3、质量亏损并非质量消失，而是减少的质量m以能量形式辐射(动质量)，因此质量守恒定律不被破坏。,有关问题的理解和注意事项,4、国际单位：常用单位:m用“u”(原子质量单位)1u=1.66056610-27kg，c=2.9979108m/s，1eV=1.602210-19J E用“m c2”，1u=931MeV(表示1u 的质量变化相当于931MeV的能量改变)5、核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释放或吸收的能量大好几个数量级.,m用“kg”，c用“m/s”，E用“J”,答案：57 MeV,1、1932年查德威克用粒子去轰击铍核、发现了中子，并产生一个新核已知铍核 的质量为901219 u,粒子的质量为400260 u，新核的质量为1200000 u,中子的质量为1008665 u求：(1)写出核反应方程；(2)计算放出的能量1 u166056610-27 kg,2.氦核是由2个质子和2个中子组成的。1个质子的质量mp=1.007277u，1个中子的质量mn=1.008665u，氦核的质量为4.001509u。这里u表示原子质量单位，1u=1.66056610-27kg，由上述数值，请计算核子结合成氦原子核时释放的能量是多少MeV？,注：若m的单位取“原子质量单位”。符号为“u”，1u=1.6606 1027 kg 1u相当于931.5 Mev的能量,写出核反应方程计算质量亏损m根据质能方程 E=mC2计算核能。注意质量单位取kg 和u的不同，若以原子质量（u）为单位，可直接用E=m(u)931.5MeV.,核能的计算步骤,典例分析一对四种基本作用的理解例1:科学研究表明,自然界存在四种基本相互作用,我们知道分子之间也存在相互作用的引力和斥力,那么分子力实质上属于()A.引力相互作用B.电磁相互作用C.强相互作用和弱相互作用的共同作用D.四种基本相互作用的共同作用,解析:分子作用范围约在10-10m数量级上,强相互作用和弱相互作用都是短程作用力,作用范围在10-15 m和10-18 m之内,在这个距离内不存在分子力,在这个范围内引力作用和电磁作用都存在,但由于电磁力远大于万有引力,引力作用可以忽略不计,因此分子力本质上属于电磁相互作用.答案:B,二对核力原子核内核子比例的理解例2:对核子结合成原子核的下列说法正确的是()A.原子核内的核子间均存在核力B.原子核内的质子间均存在核力和库仑力C.当几个核子靠近到核力作用的范围而结合为原子核时,其间“势能”一定减小D.对质子数较多的原子核,其中的中子起到增加核力维系原子稳定的作用,解析:由于核力是近程力,只会发生在相邻的核子之间,由此可知AB选项错误;当几个核子靠近到核力作用范围内,距离大于0.810-15 m,核力表现为引力,在此过程中核力必做正功,其间势能必定减小,形成原子核后一般不小于0.810-15 m,故C正确;对质子数较多的原子核,由于只有相邻的核子之间才有核力,但各个质子间均有很强的库仑斥力.随着质子数的增加其库仑力增加,对于稳定的原子核,必须存在较多的中子才能维系二者的平衡,故D选项正确.答案:CD,巩固练习1:关于原子核的组成,下列说法正确的是()A.核力可使一些中子组成原子核B.核力可使较多的质子组成原子核C.不存在只有质子的原子核D.质量较大的原子核内一定含有中子,解析:由于原子核带正电,不存在只有中子的原子核,但核力也不能把较多的质子聚集在一起组成原子核,原因是核力为短程力.质子之间存在着“长程力”库仑力,故AB选项错误;自然界中存在只有质子的原子核,如11H,故C选项错误;较大质量的原子核内只有存在一些中子,才能消弱库仑力维系原子核的稳定,故D选项正确.答案:D,三对质量亏损和质能方程的理解例3:对于爱因斯坦提出的质能方程E=m5c2,下列说法正确的是()A.获得一定的能量,质量也相应的增加一定的值B.物体一定有质量,但不一定有能量,所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系C.根据E=m5c2,可知质量减少能量就会增加,在一定条件下质量转化为能量D.根据E=m5c2可以计算核反应中释放的核能,解析:根据质能方程E=m5c2表明一定的质量和一定的能量是相联系的,当物体获得一定的能量,即能量增加某一定值时,它的质量也相应地增加一定值,这种关系在任何条件下都成立,故A选项正确,B选项错误;根据E=m5c2可以计算核反应中释放的能量,释放的能量并非由质量转化而来的,故C选项错误,D选项正确.答案:AD点评:核反应中的质量亏损,并不是这部分质量消失或质量转化为能量,物体的质量应包括静止质量和运动质量,质量亏损是静止质量的减少,减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量.另外,质量亏损也不是核子数的减小,核反应中核子数是不变的.,巩固练习2:中子n,质子p,氘核D的质量分别为mnmpmD,现用能量为E的射线照射静止的氘核使之分解,反应方程为+Dp+n,若分解后的中子,质子的动能可视为相等,则中子的动能为()A.(mD-mn-mp)c2-EB.(mp+mn-mD)c2-EC.(mD-mn-mp)c2+ED.(mp+mn-mD)c2+E,解析:核反应过程中的质量亏损 m=mD-mp-mn核反应过程中释放的能量 E=mc2=(mD-mp-mn)c2质子和中子的总能量为E+E,中子的动能是总能的一半,则C选项正确.答案:C,
