核力與結(jié)合能

人教版選修3—5§19.5核力與結(jié)合能

質(zhì)子相互間距約為1.5×10-15m；質(zhì)子質(zhì)量為1.67×10-27kg

質(zhì)子帶電量為1.6×10-19C；萬(wàn)有引力常為6.67×10-11

靜電力常量為9×109

復(fù)習(xí)鞏固①20世紀(jì)初，人們知道自然界存在萬(wàn)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（庫(kù)倫斥力）是萬(wàn)有引力的多少倍？

核力mpmp庫(kù)侖力庫(kù)侖力萬(wàn)有引力萬(wàn)有引力核力

質(zhì)子間的庫(kù)倫斥力（電磁力）是萬(wàn)有引力的1035---倍1036②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(duì)這種相互作用的認(rèn)識(shí)還有哪些有待完善？

原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬(wàn)有引力來(lái)抗衡相互間的庫(kù)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。核力：使核子結(jié)合在一起的強(qiáng)相互作用

核力存在于質(zhì)子之間、中子之間及中子與質(zhì)子之間，即核子之間。中子質(zhì)子原子核示意圖

核力是只在1.5×10－15m距離內(nèi)起作用的短程強(qiáng)相互作用力。核力在大于0.8×10－15m時(shí)表現(xiàn)為引力，小于0.8×10－15m時(shí)表現(xiàn)為斥力。只有相鄰的核子之間才有核力作用。一、核力與四種基本相互作用1.萬(wàn)有引力：引力主要在宏觀和宇宙尺度上“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(lái)。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(wàn)有引力都是“長(zhǎng)程力”，即它們可以作用到無(wú)限遠(yuǎn)的距離，當(dāng)然距離越遠(yuǎn)，力就越小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。

物理學(xué)有一條理論：叫做簡(jiǎn)單才是美。能否將這四條理論統(tǒng)一起來(lái)呢？一、核力與四種基本相互作用請(qǐng)同學(xué)們找出元素周期表，分析隨著原子序數(shù)的增大，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)有什么關(guān)系？二、原子核中質(zhì)子與中子的比例結(jié)論：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(duì)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。質(zhì)子數(shù)中子數(shù)理想的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)相等的穩(wěn)定原子核實(shí)際存在的原子核原因分析：核越大，核子間距離增大庫(kù)侖力與核力均減少，但核力減少快增大到一定程度時(shí)，核力較少，不足以平衡庫(kù)侖力時(shí)，原子核會(huì)不穩(wěn)定。若增加中子，與其它核子無(wú)庫(kù)侖力，但有核力，有助于原子核穩(wěn)定核力是短程力，若超過(guò)其作用范圍，增加中子，原子核也不穩(wěn)定，所以原子序數(shù)越大越不穩(wěn)定。三、結(jié)合能①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(kāi)，需要什么條件？宏觀模型：相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)物體，由于萬(wàn)有引力而相互接近，運(yùn)動(dòng)速度越來(lái)越大，引力勢(shì)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，如果要把它們分開(kāi)，還要重新賦予它們這份能量。微觀模型：原子核是核子結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開(kāi)，也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能。類(lèi)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(guò)碰撞、施加電場(chǎng)、賦予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(guò)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

②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

當(dāng)核子結(jié)合成原子核時(shí)要放出一定能量；原子核分解成核子時(shí)，要吸收同樣的能量。這個(gè)能量叫做原子核的結(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(kāi)而需要的能量。③結(jié)合能的大小與什么因素有關(guān)？

組成原子核的核子數(shù)，組成原子核的核子數(shù)越多，結(jié)合能越大。

結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱(chēng)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(kāi)所需的能量越大。三、結(jié)合能④什么是比結(jié)合能？為什么說(shuō)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？

從相對(duì)論得出，物體的能量和質(zhì)量之間存在如下密切聯(lián)系。

愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程表明：物體具有的能量與它的質(zhì)量之間存在著簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。

愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程：E＝mc2

能量減小ΔE=Δm·c2①物體的質(zhì)量和能量有何關(guān)系？若一個(gè)物體質(zhì)量減小了△m，那么它的能量減小多少？四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損②已知中子的質(zhì)量mn=1.6749×10-27kg，質(zhì)子的質(zhì)量為mp=1.6726×10-27kg，氘核的質(zhì)量mD=3.3436×10-27kg。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=0.0039×10-27kg；能量減小量:

△E=△m

c2=3.51×10-13J=2.19×106eV；結(jié)合能:△E=△m

c2=2.19MeV；比結(jié)合能為:△E/n=△E/2=1.10MeV。四、質(zhì)量虧損③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(méi)有違反能量守恒定律；減小的這部分能量以γ光子釋放出去。④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？

沒(méi)有違反質(zhì)量守恒定律；減小的那部分質(zhì)量等于γ光子的動(dòng)質(zhì)量。⑤什么是質(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(chēng)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。

⑥如下圖，哪些原子核最穩(wěn)定，為什么？平均結(jié)合能核子的平均結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)的變化z

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）。

中等大小的核，核子的平均質(zhì)量較小。核子平均質(zhì)量四、質(zhì)量虧損⑦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。典例探究四、質(zhì)量虧損反應(yīng)后氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量和反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)不變，因而質(zhì)量不變核子結(jié)合成核時(shí)，一定釋放核能γ光子具有的能量為例2（B級(jí)）.中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，同時(shí)釋放γ光子，核反應(yīng)方程是,下列說(shuō)法正確的是（）為核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損ACD典例探究四、質(zhì)量虧損例3(B級(jí)).碳原子質(zhì)量的1/12叫做原子質(zhì)量單位，用u表示。試證明1u相當(dāng)于931MeV。證明：碳原子