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1、核力与结合能公开课本讲稿第一页，共三十七页第四节第四节 核力与结合能核力与结合能目标：目标：1、知道核力的概念及其性质。、知道核力的概念及其性质。2、认识原子核的结合能、认识原子核的结合能3、了解平均结合能。、了解平均结合能。4、会利用质能方程求解结合能。、会利用质能方程求解结合能。本讲稿第二页，共三十七页回顾：回顾：原子核的组成原子核的组成 原子核是由质子和中子原子核是由质子和中子组成组成的，质子和中子统称为的，质子和中子统称为核子核子第四节第四节 核力与结合能核力与结合能提出问题：提出问题：质子间存在着巨质子间存在着巨大的库伦斥力，那为什么质大的库伦斥力，那为什么质子没有被排斥开，反而还紧
2、子没有被排斥开，反而还紧紧的结合在一起呢？紧的结合在一起呢？猜想：猜想：万有引力？万有引力？本讲稿第三页，共三十七页原子核的组成中子中子 质子质子 统称统称核子核子核子核子 U He H 1142235 92X AZ（核）电荷数（核）电荷数（核）电荷数（核）电荷数质量数质量数质量数质量数 一一.原原 子子 核核 的的 组组 成成 1015m 元素符号元素符号元素符号元素符号 核力及其性质核力及其性质 本讲稿第四页，共三十七页一一 核力及其性质核力及其性质质子相互间距质子相互间距r的数量级为的数量级为10-15m；质子质量；质子质量m的数量级为的数量级为10-27kg，质子电量，质子电量e的数量
3、级为的数量级为10-19C；万有引力常量；万有引力常量G的数量的数量级为级为10-11，静电力常量静电力常量k的数量级为的数量级为109。估算库仑力与万有引估算库仑力与万有引力之比？力之比？解：解：结论：结论：原子核中的质子要靠自身的万有引力来抗衡原子核中的质子要靠自身的万有引力来抗衡相互间的库仑力是不可能的。相互间的库仑力是不可能的。再猜想：再猜想：在核子之间一定存在着第三种力，使核子在核子之间一定存在着第三种力，使核子能紧密的结合在一起。能紧密的结合在一起。核力核力。本讲稿第五页，共三十七页核力：核力：能够把核中的各种核子联系在一起的强大能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做的力叫做
4、核力核力核力具有怎样的特点呢？核力具有怎样的特点呢？二、核力：二、核力：本讲稿第六页，共三十七页 2.核核力力是是短短程程力力。约约在在 10-15m量量级级时时起起作作用用，距距离离大大于于0.810-15m时时为为引引力力,距距离离为为1010-15m时时核核力力几几乎乎消消失失，距距离离小于小于0.810-15m时为斥力时为斥力。3.核核力力具具有有饱饱和和性性。核核子子只只对对相相邻邻的的少少数数核核子子产产生生较较强强的的引力，而不是与核内所有核子发生作用。引力，而不是与核内所有核子发生作用。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
5、与核子电荷无关。与核子电荷无关。要要真真正正了了解解核核子子间间的的相相互互作作用用还还要要考考虑虑核核子子的的组组成成物物夸克夸克的相互作用。的相互作用。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。本讲稿第七页，共三十七页除核力外原子核内还存在除核力外原子核内还存在 弱相互作用（弱力）弱相互作用（弱力）弱力是引起弱力是引起中子质子中子质子转变的原因转变的原因弱相互作用也是短程力，力程比强力更短，为弱相互作用也是短程力，力程比强力更短，为1018m，作用强度则比电磁力小。，作用强度则比电磁力小。本讲稿第八页，共三十七页*三、原子核中质
6、子与中子的比例三、原子核中质子与中子的比例自自然界中较轻的原子核，质然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，中子数对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，大于质子数，越重的元素，两者相差越多。两者相差越多。为什么会这样呢？为什么会这样呢？原子核中的质子数又称为原子序数原子核中的质子数又称为原子序数周期表中比较靠后的元素对应的原子核叫重核，靠周期表中比较靠后的元素对应的原子核叫重核，靠前的叫轻核。前的叫轻核。本讲稿第九页，共三十七页原子核中质子和中子的比例原子核中质子和中子的比例本讲稿第十页，共三十七页原子核中质子和中子的比例原子核中质子和
7、中子的比例本讲稿第十一页，共三十七页原子核中质子和中子的比例原子核中质子和中子的比例 在宇宙演化的进程中，各种粒子有机会进行各在宇宙演化的进程中，各种粒子有机会进行各种组合，但那些不稳定的组合很快就瓦解了，只有种组合，但那些不稳定的组合很快就瓦解了，只有200多种稳定的原子核长久地留了下来。现在观察到多种稳定的原子核长久地留了下来。现在观察到的天然放射性元素，则正在瓦解之中。的天然放射性元素，则正在瓦解之中。本讲稿第十二页，共三十七页核核越来越大，有些核子间的距离越来越远。随着距越来越大，有些核子间的距离越来越远。随着距离的增加，核力与电磁力都会减小，但核力减小得离的增加，核力与电磁力都会减小
8、，但核力减小得更快。所以，原子核大到一定程度时，相距较远的更快。所以，原子核大到一定程度时，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。这时，如果不再成对地增加核原子核就不稳定了。这时，如果不再成对地增加核子，而只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，子，而只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，有助于维系原子核的稳定。但有相互吸引的核力，有助于维系原子核的稳定。由于这个原因，稳定的重原子核里，中子数要比质由于这个原因，稳定的重原子核里，中子数要比质子数多。子数多。本讲稿第十三页，共三十七页 由于核力的
9、作用范围是有限的，如果继续增由于核力的作用范围是有限的，如果继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有大原子核，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也无济于事，这核力的作用，这时即使再增加中子也无济于事，这样的核必然是不稳定的。样的核必然是不稳定的。在宇宙演化的进程中，各种粒子有机会进行在宇宙演化的进程中，各种粒子有机会进行各种组合，但那些不稳定的组合很快就瓦解了，只各种组合，但那些不稳定的组合很快就瓦解了，只有有200多种稳定的原子核长久地留了下来。现在观多种稳定的原子核长久地留了下来。现在观察到的天然放射性元素，则正在瓦解之中。察到的天然放射性元素，则正
10、在瓦解之中。本讲稿第十四页，共三十七页二二 结合能结合能要将原子核拆散成单个核子，一定需要吸收巨大的要将原子核拆散成单个核子，一定需要吸收巨大的能量。能量。根据功能关系，理由是什么？根据功能关系，理由是什么？本讲稿第十五页，共三十七页 由于核子间存在着强大的核力，所以核子由于核子间存在着强大的核力，所以核子结结合合成原子核或原子核成原子核或原子核分解分解为核子时，都伴随着为核子时，都伴随着巨大的能量变化巨大的能量变化 可见，由于核子间存在强大的核力，要把原子核拆散成可见，由于核子间存在强大的核力，要把原子核拆散成核子，要克服核力做功，必须吸收一定的能量反之，核子，要克服核力做功，必须吸收一定的
11、能量反之，根据能量守恒，核子结合成原子核时，也会放出同样多根据能量守恒，核子结合成原子核时，也会放出同样多的能量。这个能量叫做的能量。这个能量叫做原子核的结合能。结合能可以原子核的结合能。结合能可以以光子的形式放出来。以光子的形式放出来。二、二、结合能结合能分解：分解：结合：结合：为光子，其能量为光子，其能量2.2MeV，反应才能发生，反应才能发生本讲稿第十六页，共三十七页二二 结合能结合能当光子能量等于或大当光子能量等于或大于于2.22MeV时，这个时，这个反应才会发生反应才会发生 一个质子和一个中子一个质子和一个中子结合成氘核，要放出结合成氘核，要放出2.22MeV的能量的能量 结合能：结
12、合能：将原子核拆散成单个核子需要吸收的将原子核拆散成单个核子需要吸收的能量或是将核子结合成原子核所放出的能量能量或是将核子结合成原子核所放出的能量本讲稿第十七页，共三十七页【思考思考】：结合能越大原子核是不是越难被拆散？结合能越大原子核是不是越难被拆散？即：结合能的大小能不能反映原子核的稳定程度？即：结合能的大小能不能反映原子核的稳定程度？三三 平均结合能平均结合能如何才能反映原子核的稳定程度？如何才能反映原子核的稳定程度？U-235Li-6本讲稿第十八页，共三十七页三三 平均结合能平均结合能1）概念：）概念：原子核的结合能与核子数之比原子核的结合能与核子数之比2）理解：）理解：核子结合成原子
13、核时，平均每个核子所释核子结合成原子核时，平均每个核子所释放的结合能，它也等于把原子核拆散成每个核子时，放的结合能，它也等于把原子核拆散成每个核子时，外界必须提供给每个核子的平均能量。外界必须提供给每个核子的平均能量。2、平均结合能：、平均结合能：结合能结合能核子数核子数=3）意义：）意义：它反映了一个原子核稳定程度。它反映了一个原子核稳定程度。平均结平均结合能越大，核越稳定。合能越大，核越稳定。本讲稿第十九页，共三十七页本讲稿第二十页，共三十七页从图象上看，哪一种原子的平均结合能更大？从图象上看，哪一种原子的平均结合能更大？本讲稿第二十一页，共三十七页四、质量亏损四、质量亏损中子的质量中子的
14、质量=1.674910=1.6749102727Kg Kg 质子的质量质子的质量=1.67261027Kg 中子和质子的质量和中子和质子的质量和=3.34751027Kg 氘核的质量氘核的质量=3.34361027Kg 质量差质量差=0.00391027Kg 问题分析：质子与中子结合成氘核问题分析：质子与中子结合成氘核前后总质量的差异前后总质量的差异本讲稿第二十二页，共三十七页四、质量亏损四、质量亏损质量亏损质量亏损：原子分解为核子时，质量增加；核子结合成：原子分解为核子时，质量增加；核子结合成原子核时，质量减少。原子核时，质量减少。原子核的质量小于组成原子核的核原子核的质量小于组成原子核的核
15、子的质量之和，叫做质量亏损子的质量之和，叫做质量亏损。可见，核反应前后，总质量并不相等！可见，核反应前后，总质量并不相等！本讲稿第二十三页，共三十七页对比爱因斯坦质能方程对比爱因斯坦质能方程 E=mc2核子核子在在结合成原子核结合成原子核时出现的时出现的质量亏损质量亏损 mm，与它们在互，与它们在互相结合过程中相结合过程中放出的能量是否存在某种对应关系呢？放出的能量是否存在某种对应关系呢？质量亏损的思考：质量亏损的思考：E mc2？结论：以上等式确实成立，表明结论：以上等式确实成立，表明质量亏损质量亏损与能量变化有着密切的联系与能量变化有着密切的联系本讲稿第二十四页，共三十七页3、有关问题的理
16、解和注意事项、有关问题的理解和注意事项第一第一.核反应过程中核反应过程中:核子结合成原子核时核子结合成原子核时,新核质量新核质量小于小于核子的质量核子的质量(质质量亏损量亏损),同时以同时以 光子形式光子形式释放核能释放核能;原子核分解为核子时原子核分解为核子时,需要需要吸收一定能量吸收一定能量,核子的总核子的总质量质量大于大于原原子核的质量原原子核的质量.第二第二.核反应过程中核反应过程中,质量亏损时质量亏损时,核子个数不亏损核子个数不亏损(即质即质量数守恒量数守恒),可理解为组成原子核后可理解为组成原子核后,核内每个核子仿佛核内每个核子仿佛“瘦瘦了了”一些一些.第三第三.质量亏损并非质量消
17、失质量亏损并非质量消失,而是减少的质量而是减少的质量 m以能量形以能量形式辐射式辐射(动质量动质量),因此因此质量守恒定律不被破坏质量守恒定律不被破坏.本讲稿第二十五页，共三十七页第四第四.公式公式 E=E=mm c c2 2 的单位问题的单位问题国际单位国际单位:m用用“kg”C用用“m/s”E E用用“J”“J”常用单位常用单位:m用用“u(原子质量单位原子质量单位)”1u=1.66056610-27kg E E用用“uc“uc2 2”1uc 1uc2 2=931MeV =931MeV (表示表示1u 1u 的质量变化相当于的质量变化相当于931MeV931MeV的能量改变的能量改变)P8
18、2问题与练习问题与练习 3.本讲稿第二十六页，共三十七页当然，当然，2.19MeV2.19MeV的能量的绝对数量并不算大，但这只是组的能量的绝对数量并不算大，但这只是组成成1 1个氘核所放出的能量如果组成的是个氘核所放出的能量如果组成的是6.026.0210102323个氘核个氘核时，放出的能量就十分可观了与之相对照的是，使时，放出的能量就十分可观了与之相对照的是，使1 1摩的碳完全燃烧放出的能量为摩的碳完全燃烧放出的能量为393.5393.510103 3J J折合为每个折合为每个碳原子在完全燃烧时放出的能量只不过碳原子在完全燃烧时放出的能量只不过4eV4eV若跟上述若跟上述核反应中每个原子
19、可能放出的能量相比，两者相差数十核反应中每个原子可能放出的能量相比，两者相差数十万倍万倍第五第五.核反应中释放或吸收的能量比化学反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应中释放或吸收的能量大好几个数量级.本讲稿第二十七页，共三十七页(1)物体具有的能量跟它的质量存在着简单正比关系物体具有的能量跟它的质量存在着简单正比关系.对质能方程理解对质能方程理解E=mc2的理解的理解四四 质能方程质能方程 E=mcE=mc2 2（2）任何质量为）任何质量为m的物体都具有大小相当于的物体都具有大小相当于mc2的能的能量。任何一部分能量也都与一定的质量向对应。量。任何一部分能量也都
20、与一定的质量向对应。（3）物体的质量发生变化，相对应的能量也会变化。）物体的质量发生变化，相对应的能量也会变化。本讲稿第二十八页，共三十七页m1m2m3根据质能方程根据质能方程E=mc2和能量守恒定律，推导出和能量守恒定律，推导出光子的能量光子的能量(即氘核的结合能）即氘核的结合能）并总结出求结合能的方法。并总结出求结合能的方法。计算结合能时，先计算质计算结合能时，先计算质量亏损量亏损m m，在带入质能，在带入质能方程求出结合能方程求出结合能四四 质能方程质能方程 E=mcE=mc2 2E E本讲稿第二十九页，共三十七页计算结合能时，先计算计算结合能时，先计算质量亏损质量亏损m m，在带入质，
21、在带入质能方程求出结合能能方程求出结合能计算任意核反应中释放的计算任意核反应中释放的核能，先计算质量亏损核能，先计算质量亏损m m，在带入质能方程求出核，在带入质能方程求出核能。能。核能核能质量亏损质量亏损三三 质能方程质能方程 E=mcE=mc2 2本讲稿第三十页，共三十七页【讨论与交流讨论与交流】四四 质能方程质能方程 E=mcE=mc2 21、质量和能量是两个完全不同的概念，它们表征的对象、质量和能量是两个完全不同的概念，它们表征的对象不同，相互之间不能转化。不同，相互之间不能转化。下面说法是否正确。并说明理由。下面说法是否正确。并说明理由。（1）由质能方程由质能方程E=mc2，可推得，
22、可推得E=mc2,这说明质量就是能这说明质量就是能量，质量可以转化为能量。量，质量可以转化为能量。2、质能方程揭示了质量与能量的不可分割性，方程、质能方程揭示了质量与能量的不可分割性，方程建立了这两个属性在数值上的关系。决不是这两个建立了这两个属性在数值上的关系。决不是这两个量相互转化。量相互转化。（2）关系式关系式E=mc2中的质量亏损表明在核反应时中的质量亏损表明在核反应时质量不守恒。质量不守恒。本讲稿第三十一页，共三十七页四四 质能方程质能方程 E=mcE=mc2 2【讨论与交流讨论与交流】下面说法是否正确。并说明理由。下面说法是否正确。并说明理由。（2）关系式）关系式E=mc2中的质量
23、亏损表明在核反应时中的质量亏损表明在核反应时质量不守恒。质量不守恒。1、质量包括静止质量和运动质量两部分组成、质量包括静止质量和运动质量两部分组成2、E=mc2中中m可以理解为静止质量的亏损，可以理解为静止质量的亏损，也可以理解为释放的能量也可以理解为释放的能量E对应的运动质量增加对应的运动质量增加3、因此质量亏损不能简单地认为质量减少，质量亏损的本、因此质量亏损不能简单地认为质量减少，质量亏损的本质是静止质量的亏损转化为运动质量，是质量守恒在核反质是静止质量的亏损转化为运动质量，是质量守恒在核反应中的客观体现应中的客观体现m1m2m3E E本讲稿第三十二页，共三十七页 目标检测目标检测1、一
24、下关于核力的说法正确的是、一下关于核力的说法正确的是 （）A、核力存在于任何核子之间、核力存在于任何核子之间B、核力只存在于相邻的核子之间、核力只存在于相邻的核子之间C、核力与万有引力性质相同、核力与万有引力性质相同D、核力是一种短程的强作用力、核力是一种短程的强作用力B、D考查点：核力的性质考查点：核力的性质本讲稿第三十三页，共三十七页 目标检测目标检测2、联合国将、联合国将2005年定为年定为“国际物理年国际物理年”，以纪念，以纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献。对于爱因斯坦提出爱因斯坦对物理学的巨大贡献。对于爱因斯坦提出的质能方程的质能方程E=mc2，下列说法中正确的是（，下列说法中正确的是
25、（)A、E=mc2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、E=mc2中的中的E表示发生核反应过程中释放的核能表示发生核反应过程中释放的核能C、根据根据E=mc2 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D、E=mc2 表示发生的质量亏损表示发生的质量亏损 m转变成为转变成为能量能量 E释放出来释放出来A、C本讲稿第三十四页，共三十七页3、当氘核和氚核聚合成氦核时会释放大量能量，、当氘核和氚核聚合成氦核时会释放大量能量，设氘核的质量为设氘核的质量为m1，氚核的质量为，氚核的质量为m2，氦核的质，氦核的质量为量为m3,中子的质量为中子的质量为m4,则反应过程
26、中释放的能则反应过程中释放的能量为：量为：（）目标检测目标检测A、C、D、B、C核反应方程为：核反应方程为：本讲稿第三十五页，共三十七页 目标检测（拓展）目标检测（拓展）4、一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时、一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个辐射一个光子。已知质子、中子、氘核的质量分光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为别为m m1 1、m m2 2、m m3 3，普朗克常数为，普朗克常数为h h，真空中的光速为，真空中的光速为c c，下列说法正确的是，下列说法正确的是（）A A、核反应方程是、核反应方程是D、光子的波长光子的波长C、辐射出的、辐射出的光子的能量光子的
27、能量 E=（m3-m1-m2)c2B、聚变反应中的质量亏损、聚变反应中的质量亏损m=m1+m2-m3B本讲稿第三十六页，共三十七页 小结小结1、核子之间的强相互作用力叫、核子之间的强相互作用力叫_。主要特点。主要特点是是_,_.2、当核子结合成原子核时要、当核子结合成原子核时要_(“吸收吸收”或或“放出放出”)一定的能量，原子核分解成核子时，要一定的能量，原子核分解成核子时，要_(“吸吸收收”或或“放出放出”)同样的能量，这个能量叫做原子核的同样的能量，这个能量叫做原子核的结合能。结合能。3、结合能与核子数之比称、结合能与核子数之比称_,平均结合能平均结合能_(“越大越大”“越小越小”)表示原子核中核子结合得越牢表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。固，原子核越稳定。4、求解原子核的结合能的方法是：、求解原子核的结合能的方法是：核力核力短程力短程力强相互作用（强力）强相互作用（强力）吸收吸收放出放出平均结合能平均结合能越大越大本讲稿第三十七页，共三十七页