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1、19.5:19.5:核力和结合能核力和结合能20172017、4 4原子核的组成原子核的组成 原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子核子电荷数电荷数=质子数质子数质量数质量数=质子数质子数+中子数中子数=核子数核子数 四四种种基基本本相相互互作作用用短短程程力力长长程程力力强相互作用力强相互作用力弱相互作用力弱相互作用力电磁力电磁力万有引力万有引力分别在不同的尺度上发挥作用：分别在不同的尺度上发挥作用：原原子子核核的的半半径径约约为为1010-15-15m m,只只相相当当原原子子半半径径的的万万分分之之一一。在在这这么么小小的的空空间间里
2、里带带正正电电的的质质子子与与质质子子间间的的库库仑仑斥斥力力是是很很大大，万万有有引引力力太太小小，只只有有库库仑仑力力的的1010-36-36。而而通通常常原原子子核核是是稳稳定定的的,于于是是核核内内还还应应有有另另一一种种力力把把各各种种核核子子紧紧紧紧拉拉在在一一起起,此此力力称称为核力。为核力。核力核力mpmp库仑力库仑力库仑力库仑力万有引力万有引力万有引力万有引力核力核力 核子靠什么力结合成原子核核子靠什么力结合成原子核？核力核力核力：核力：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的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（强相互作用，也叫强力）叫做核力（强相互作用，也叫强
3、力）一、核力一、核力2.2.核核力力是是短短程程力力。约约在在 10-15m10-15m量量级级内内起起作作用用，距距离离大大于于0.810-15m0.810-15m时时为为引引力力,距距离离为为1.510-15m1.510-15m时时核核力力几几乎乎消消逝逝，距离小于距离小于0.810-15m0.810-15m时为斥力，因此核子不会融合在一起。时为斥力，因此核子不会融合在一起。1.1.核核力力是是四四种种相相互互作作用用中中的的强强相相互互作作用用（强强力力）的的一一种种表表现现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。3.3.核核力力具具有有饱饱和和性性。每
4、每个个核核子子只只跟跟相相邻邻的的核核子子发发生生核核力力作作用，这种性质称之为核力的饱和性。用，这种性质称之为核力的饱和性。4.4.核核力力具具有有电电荷荷无无关关性性。对对给给定定的的相相对对运运动动状状态态，核核力力与与核子电荷无关。（见书本核子电荷无关。（见书本P79P79图）图）特特 点点1.1.万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领风骚独领风骚”。是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，确定了宇宙是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，确定了宇宙的现状和将来。的现状和将来。四种相互作用四种相互作用3.3.强相互作用：强相互作用：在原子核内
5、，强力将核子束缚在一起。在原子核内，强力将核子束缚在一起。2.2.电磁力：电磁力：在原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分子在原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分子结合成液体与固体。结合成液体与固体。电磁力和万有引力都是电磁力和万有引力都是“长程力长程力”，即它们可以作用到无限，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小远的距离，当然距离越远，力就越小4.4.弱相互作用：弱相互作用是引起原子核弱相互作用：弱相互作用是引起原子核衰变的缘由，即引衰变的缘由，即引起中子质子转变的缘由。弱相互作用也是短程力，其力程比起中子质子转变的缘由。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为强力更短，
6、为101018m18m，作用强度则比电磁力小。，作用强度则比电磁力小。请同学们找出元素周期表，分析随着原子序数的增大，质子数请同学们找出元素周期表，分析随着原子序数的增大，质子数与中子数有什么关系？与中子数有什么关系？二、原子核中质子与中子的比例二、原子核中质子与中子的比例结论：结论：自然界中较轻的原子核，质子数自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子与中子数大致相等，但对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多。两者相差越多。质子数质子数中中子子数数志向的质子数志向的质子数和中子数相等和中子数相等的稳定原子核的稳定原子
7、核实际存在实际存在的原子核的原子核缘由分析：缘由分析：核越大，核子间距离增大核越大，核子间距离增大库仑力与核力均削减，但核力削减快库仑力与核力均削减，但核力削减快增大到确定程度时，核力较少，不足以增大到确定程度时，核力较少，不足以平衡库仑力时，原子核会不稳定。平衡库仑力时，原子核会不稳定。若增加中子，与其它核子无库仑力，但若增加中子，与其它核子无库仑力，但有核力，有助于原子核稳定有核力，有助于原子核稳定核力是短程力，若超过其作用范围，增核力是短程力，若超过其作用范围，增加中子，原子核也不稳定，所以原子序加中子，原子核也不稳定，所以原子序数越大越不稳定。数越大越不稳定。三三.结合能与质量亏损结合
8、能与质量亏损 (2)比结合能：原子核的结合能与比结合能：原子核的结合能与 之比称做比结合能，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得越 ，原子核越，原子核越 ，的核的比结合能最的核的比结合能最大、最稳定。大、最稳定。核子数核子数坚实坚实稳定稳定中等大小中等大小 （1 1）当核子结合成原子核时要放出确定能量当核子结合成原子核时要放出确定能量.原子核分解成原子核分解成核子时，要吸取同样的能量这个能量叫做原子核的结合能核子时，要吸取同样的能量这个能量叫做原子核的结合能留意：结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量
9、，留意：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须要的能量。而是为把核子分开而须要的能量。组成原子核的核子越多结合能越大组成原子核的核子越多结合能越大.数值上：结合能数值上：结合能=把原子核完全分解成自由核子所需的最小能量把原子核完全分解成自由核子所需的最小能量=当核子结合成原子核时要放出确定能量当核子结合成原子核时要放出确定能量 (3)质量亏损：质量亏损：爱因斯坦质能方程爱因斯坦质能方程 。质量亏损质量亏损 原子核的质量原子核的质量 组成它的核子的质量之和的现象。组成它的核子的质量之和的现象。若在核反应前后质量亏损为若在核反应前后质量亏损为m，则核反应释放的核，则核反
10、应释放的核能能E 。关键一点关键一点核反应中质量亏损并不是核子个数的削减，核反应中质量亏损并不是核子个数的削减，核子个数是不变的，是原子核的质量总是小于其全部核子核子个数是不变的，是原子核的质量总是小于其全部核子质量的和产生的。质量的和产生的。Emc2小于小于mc2反应前的质量大于反应后的质量，释放能量，质量亏损。反应前的质量大于反应后的质量，释放能量，质量亏损。反应前的质量小于反应后的质量，吸取能量，质量增加。反应前的质量小于反应后的质量，吸取能量，质量增加。例例1.关于核力的说法正确的是关于核力的说法正确的是()A核力同万有引力没有区分，都是物体间的作用核力同万有引力没有区分，都是物体间的
11、作用B核力就是电磁力核力就是电磁力C核力是短程力，作用范围在核力是短程力，作用范围在1.51015 m之内之内D核力与电荷有关核力与电荷有关类型一类型一类型一类型一对核力和结合能的认识对核力和结合能的认识C C类型二类型二类型二类型二对质能方程的理解对质能方程的理解例例2.关于质能方程，下列哪些方法是正确的关于质能方程，下列哪些方法是正确的()A质量削减，能量就会增加，在确定条件下质量转化为质量削减，能量就会增加，在确定条件下质量转化为能量能量B物体获得确定的能量，它的质量也相应地增加确定值物体获得确定的能量，它的质量也相应地增加确定值C物体确定有质量，但不确定有能量，所以质能方程仅物体确定有
12、质量，但不确定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系是某种特殊条件下的数量关系D某确定量的质量总是与确定量的能量相联系的某确定量的质量总是与确定量的能量相联系的【解析】质能方程【解析】质能方程Emc2表明某确定量的质量与确定表明某确定量的质量与确定量的能量是相联系的，当物体获得确定的能量，即能量量的能量是相联系的，当物体获得确定的能量，即能量增加某确定值时，它的质量也相应增加确定值，并可依增加某确定值时，它的质量也相应增加确定值，并可依据据Emc2进行计算，所以进行计算，所以B、D正确正确【答案】【答案】BD变式训练变式训练变式训练变式训练2 2为为纪纪念念爱爱因因斯斯坦坦对对物物理
13、理学学的的巨巨大大贡贡献献，联联合合国国将将20052005年年定定为为“国国际际物物理理年年”对对于于爱爱因因斯斯坦坦提提出出的的质质能能方方程程E Emc2mc2，下列说法中不正确的是，下列说法中不正确的是()A AE Emc2mc2表明物体具有的能量与其质量成正比表明物体具有的能量与其质量成正比B B依据依据EEmc2mc2可以计算核反应中释放的核能可以计算核反应中释放的核能C C一一个个中中子子和和一一个个质质子子结结合合成成氘氘核核时时，释释放放出出核核能能表表明明此此过程中出现了质量亏损过程中出现了质量亏损D DE Emc2mc2中的中的E E是发生核反应中释放的核能是发生核反应中
14、释放的核能D D类型三类型三类型三类型三根据质能方程计算核能根据质能方程计算核能【解析】反应前总质量【解析】反应前总质量MNMNMHeMHe18.01140 u18.01140 u，反应后总质量反应后总质量MOMOMHMH18.01305 u18.01305 u，可可以以看看出出，反反应应后后总总质质量量增增加加，故故该该反反应应是是吸吸取取能能量量的反应的反应吸吸取取的的能能量量利利用用EEmc2mc2来来计计算算，若若反反应应过过程程中中质质量亏损量亏损1 u1 u，就会释放，就会释放931.5 MeV931.5 MeV的能量，故：的能量，故：EE(18.01305(18.0130518.
15、01140)931.5 MeV1.5 MeV.18.01140)931.5 MeV1.5 MeV.变式训练变式训练变式训练变式训练3.3.质子、中子和氦核的质量分别为质子、中子和氦核的质量分别为m m1 1、m m2 2和和m m3 3，真空中的光，真空中的光速为速为c c，当质子和中子结合成氦核时，释放的能量是，当质子和中子结合成氦核时，释放的能量是()A A(2m(2m1 12m2m2 2)c)c2 2B Bm m3 3c c2 2C C(m(m3 32m2m1 12m2m2 2)c)c2 2 D D(2m(2m1 12m2m2 2m m3 3)c)c2 2解析：选解析：选D.D.氦核由两
16、个质子和两个中子结合而成，结合时总氦核由两个质子和两个中子结合而成，结合时总质量减小，质量亏损质量减小，质量亏损mm(2m(2m1 12m2m2 2m m3 3)释放的能量为：释放的能量为：EE(2m(2m1 12m2m2 2m m3 3)c)c2 2.1氦原子核由两个质子与两个中子组成，这两个质子之间氦原子核由两个质子与两个中子组成，这两个质子之间 存在着万有引力、库仑力和核力，则存在着万有引力、库仑力和核力，则3种力从大到小的排列依次种力从大到小的排列依次是是 ()A核力、万有引力、库仑力核力、万有引力、库仑力B万有引力、库仑力、核力万有引力、库仑力、核力C库仑力、核力、万有引力库仑力、核
17、力、万有引力 D核力、库仑力、万有引力核力、库仑力、万有引力解析：核力是强相互作用力，氦原子核内的解析：核力是强相互作用力，氦原子核内的2个质子是靠核力结个质子是靠核力结合在一起的。可见核力远大于库仑力；微观粒子的质量特殊小，合在一起的。可见核力远大于库仑力；微观粒子的质量特殊小，万有引力小于库仑力。故万有引力小于库仑力。故D选项正确。选项正确。答案：答案：D2关于原子核中质子和中子的说法，正确的是关于原子核中质子和中子的说法，正确的是()A原子核中质子数和中子数确定相等原子核中质子数和中子数确定相等B稳定的重原子核里，质子数比中子数多稳定的重原子核里，质子数比中子数多C原子核都是特殊稳定的原
18、子核都是特殊稳定的D由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，假如接着增大原子核，形成的核确定是不稳定的假如接着增大原子核，形成的核确定是不稳定的解析：原子核大到确定程度时，相距较远的质子间的核力不足以解析：原子核大到确定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了，稳定的重原子平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了，稳定的重原子核里，中子数要比质子数多。故正确答案为核里，中子数要比质子数多。故正确答案为D。答案：答案：D3对结合能、平均结合能的相识，下列说法正确的是对结合能、平均结合能的相识，下列说法正确
19、的是()A一切原子核均具有结合能一切原子核均具有结合能B自由核子结合为原子核时，可能吸取能量自由核子结合为原子核时，可能吸取能量C结合能越大的原子核越稳定结合能越大的原子核越稳定D平均结合能越大的原子核越稳定平均结合能越大的原子核越稳定解析：氢原子核只有一个质子不具有结合能，故解析：氢原子核只有一个质子不具有结合能，故A错；自由错；自由核子结合为原子核时，放出能量，故核子结合为原子核时，放出能量，故B错；平均结合能越大错；平均结合能越大的原子核越稳定，故的原子核越稳定，故C错，错，D正确。正确。答案：答案：D 1比结合能曲线比结合能曲线 不同原子核的比结合能随质量数变更图线如图所不同原子核的比
20、结合能随质量数变更图线如图所示。示。中等质量原子核的比结合能最大，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小。质量的原子核要小。2比结合能与原子核稳定性的关系比结合能与原子核稳定性的关系 (1)比结合能的大小能够反映核的稳定程度，比结合能的大小能够反映核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该核就越稳定。比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该核就越稳定。(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较小，表示原子核不
21、太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定。较大，表示原子核较稳定。(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可释放核能子核时，就可释放核能.比结合能比结合能比结合能更有意义，它比结合能更有意义，它反映了原子核结合反映了原子核结合的稳定程度或分裂的难易程度的稳定程度或分裂的难易程度。思路点拨思路点拨核反应向平均结合能增大的方向进行，要释放能量。核反应向平均结合能增大的方向进行，要释放能量。解析解析聚变反应前氘核和氚核的总结合能聚变反应前氘核和氚核的总结合能E1(1.0922.783)MeV10.52 MeV。反应后生
22、成的氦核的结合能反应后生成的氦核的结合能E27.034 MeV28.12 MeV。由于单个核子无结合能，所以聚变过程释放出的能量由于单个核子无结合能，所以聚变过程释放出的能量EE2E1(28.1210.52)MeV17.6 MeV。答案答案17.6 MeV 1对质量亏损的理解对质量亏损的理解质量亏损并非质量消逝质量亏损并非质量消逝,而是削减的质量而是削减的质量m以能量形式辐射以能量形式辐射(动质量动质量),因此质量守恒定律不被破坏因此质量守恒定律不被破坏.Emc2。2对质能方程对质能方程Emc2的理解的理解 (1)质能方程说明，确定的质量总是跟确定的能量相质能方程说明，确定的质量总是跟确定的能
23、量相联系的。具体地说，确定质量的物体所具有的总能量是联系的。具体地说，确定质量的物体所具有的总能量是确定的，等于光速的平方与其质量之积，这里所说的总确定的，等于光速的平方与其质量之积，这里所说的总能量，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，能量，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。而是物体所具有的各种能量的总和。(2)依据质能方程，物体的总能量与其质量成正比。依据质能方程，物体的总能量与其质量成正比。物体质量增加，则总能量随之增加；质量削减，总能量物体质量增加，则总能量随之增加；质量削减，总能量也随之削减，这时质能方程也写作也随之削减，这时质能方程也写
24、作Emc2。3核能的计算方法核能的计算方法 (1)依据质量亏损计算：其步骤如下：依据质量亏损计算：其步骤如下：依据核反应方程，计算核反应前和核反应后的质量亏损依据核反应方程，计算核反应前和核反应后的质量亏损m。依据爱因斯坦质能方程依据爱因斯坦质能方程Emc2或或Emc2计算核能。计算核能。反应前质量大于反应后的质量，质量亏损，放热反应前质量大于反应后的质量，质量亏损，放热.反之吸热反之吸热.(2)(2)利用原子质量单位利用原子质量单位u u和电子伏特间的关系计算：和电子伏特间的关系计算：明确原子质量单位明确原子质量单位u u和电子伏特间的关系：和电子伏特间的关系：1u1u相当于相当于931.5
25、MeV931.5MeV1u=1.66056610-27kg1u=1.66056610-27kg依据依据EEm931.5MeVm931.5MeV。(3)依据能量守恒和动量守恒来计算：依据能量守恒和动量守恒来计算：在题给条件中没有涉及质量亏损，或者核反应所释放的核在题给条件中没有涉及质量亏损，或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的状况下能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的状况下.从动量和能量守恒可以计算出核能的变更。从动量和能量守恒可以计算出核能的变更。2用速度几乎是零的慢中子轰击静止的硼核用速度几乎是零的慢中子轰击静止的硼核(B)，产生锂核，产生锂核(Li)和和
26、粒子。已知中子质量粒子。已知中子质量mn1.008665 u，硼核质量，硼核质量mB10.01677 u，锂核质量，锂核质量mLi7.01822 u，粒子质量粒子质量m4.00260 u。(1)写出该反应的核反应方程；写出该反应的核反应方程；(2)求出该反应放出的能量求出该反应放出的能量E；(3)若核反应中放出的能量全部变成生成物的动能，则锂核和若核反应中放出的能量全部变成生成物的动能，则锂核和粒子的动能各是多少粒子的动能各是多少(1 u相当于相当于931.5MeV)?思路点拨思路点拨依据质量数和核电荷数守恒写出核反应方程式，依据质量数和核电荷数守恒写出核反应方程式，由质量亏损及爱因斯坦质能方
27、程求出核能，再由动量守恒和能量由质量亏损及爱因斯坦质能方程求出核能，再由动量守恒和能量守恒求出锂核和守恒求出锂核和粒子的动能。粒子的动能。EEmc2mc2是解决这类问题的主要依据，有时要与动量守恒定是解决这类问题的主要依据，有时要与动量守恒定律、磁场中的圆周运动相关学问结合起来综合应用，处理这类律、磁场中的圆周运动相关学问结合起来综合应用，处理这类问题时，精确计算出反应前后的质量差问题时，精确计算出反应前后的质量差mm，并选取适当的单，并选取适当的单位是顺当求解问题的关键。位是顺当求解问题的关键。1.1.关于原子核的结合能，下列说法正确的是（关于原子核的结合能，下列说法正确的是（）A.A.原子
28、核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B.B.一重原子核衰变成一重原子核衰变成粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和确定大于原来重核的结合能和确定大于原来重核的结合能C.C.铯原子核（铯原子核（13355Cs13355Cs）的结合能小于铅原子核（）的结合能小于铅原子核（20882Pb)20882Pb)的结的结合能合能D.D.比结合能越大，原子核越不稳定比结合能越大，原子核越不稳定E E自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的
29、结合能子核的结合能.练练 习习ABC 2.2.一个静止的氡核一个静止的氡核2222228686RnRn放出放出粒子后变成钋核粒子后变成钋核2182188484PoPo，已，已知放出的知放出的粒子的动能为粒子的动能为E Ek k。若衰变放出的能量全部变为。若衰变放出的能量全部变为反冲核和反冲核和粒子的动能，真空中的光速为粒子的动能，真空中的光速为c c，则该反应中的，则该反应中的质量亏损为质量亏损为(）2.2.一个静止的氡核一个静止的氡核2222228686RnRn放出放出粒子后变成钋核粒子后变成钋核2182188484PoPo，已，已知放出的知放出的粒子的动能为粒子的动能为E Ek k。若衰变放出的能量全部变为。若衰变放出的能量全部变为反冲核和反冲核和粒子的动能，真空中的光速为粒子的动能，真空中的光速为c c，则该反应中的，则该反应中的质量亏损为质量亏损为(）感谢合作，再见！感谢合作，再见！