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1、第5章原子核与核能第3节核力与核能我们知道,原子核由质子和中子这些核子组成。那么，核子是靠什么力来维系在一起的？ 这与核能又有着怎样的关系呢？本节我们将学习与此有关的内容。1.核力与核的稳定性在原子核中，质子和中子被约束在线度为IO-5m的区域内。因质子带正电，中子不带 电，质子之间的库仑排斥力会使原子核不稳定，实际上核子却紧紧吸引在一起。是万有引力 的作用吗？不是。因为两个质子间的库仑斥力比万有引力大得多，万有引力不可能将核子紧 紧约束在一起。所以，一定存在除万有引力和静电力之外的另一种力，把原子核中的核子维 系在一起，这种力称为核力(nuclearforce)o力的作用范围称为力程。核力是
2、短程力，作用范围不能从一个原子核延伸到另一个原子 核。核力是一种强相互作用，必须非常强才能抵消所有质子库仑力的作用。我们把具有一定质子数和中子数的原子核称为核素。用横坐标表示质子数，纵坐标表示 中子数，每一种核素用一小方块表示，所得到的图像称为核素图(图5-18)o研究核素图可 发现,稳定的核素几乎全落在一条曲线上，或紧靠曲线的两侧，这个区域称为核素的稳定区。 对于较轻的核(A W 40),库仑力影响不大，这一区域与直线N=Z重合，说明N=Z的 核素比较稳定。当N、Z增大到一定数值后，稳定区逐渐向NZ的方向偏离，这是因为 库仑力是长程力，它作用于核内所有质子；而核力只作用于相邻的核子，随着Z的
3、增加, 为使原子核保持稳定，必须靠中子数的增多来抵消库仑力的作用。因此，随着Z的增加, 稳定核素的中子数越来越大于质子数。2.U!种基本相互作用现代物理学认为，自然界中所有的作用力，从本质来说都可归结为四种基本的相互作用: 引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。引力相互作用(gravitational interaction)是所有物体之间都存在的一种相互作用。日常 生活中的物体和微观粒子，它们之间的引力非常微弱，可忽略不计。但对于质量较大的天体， 引力则是它们之间的主要作用力。电磁相互作用(electromagnetic interaction)是电荷间、磁体间或电荷与磁体间的
4、相互作 用。摩擦力、弹力等接触力都是大量原子、分子之间电磁相互作用的宏观表现。引力相互作用和电磁相互作用能在宏观世界里显示其作用，二者是长程力。强相互作用(strong interaction)和弱相互作用(weak interaction)是短程力，作用范围 在原子核尺度内。核子间的核力是由强相互作用引起的，对强相互作用本质的研究仍然是物 理学研究的重要前沿。质量数相同的不同原子核之间的转换就是由弱相互作用引起的。四种相互作用按由强到弱排列：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作 用。科学家们有一种设想，认为可用某一理论将自然界中的四种基本作用统一起来，这就是 统一场论，但至今尚无
5、定论，科学家正在探索中。3.结合能与平均结合能原子核中，核子与核子之间存在核力，要将核子从原子核中分离，需要外力克服核力做 功。当自由核子结合成原子核时，核力将做功，会释放能量。人们把核子结合成原子核所释 放的能量称为原子核的结合能(binding energy of the nucleus )o实验发现，任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和，这一差值称 为质量亏损(mass defect)。如果用Nn表示质量亏损，根据爱因斯坦质能方程E - me2可知，核子结合成原子核时，释放出的结合能是AE =Amc2例题已知中子的质量叫=1.6749X10-27kg,质子的质量 叫=
6、1.672 6X 10-27kg,笊核的质 量md = 3.343 6X 10-27 kg。写出中子、质子结合成气核的核反应方程并求笊核的结合能。分析已知中子、质子和笊核的质量，可求出中子和质子结合成笊核的质量亏损，根据AE 可求笊核的结合能。解核反应方程为!o n + H H f 2i H中子和质子结合成笊核的质量亏损Am =(mp + 根n)一 2d=(1.674 9X 1027 +1 672 6X 10-27- 3.343 6X 10-21) kg= 3.90x10-3 kg中子和质子结合成笊核释放的能量，即笊核的结合能AE = A/tic2=3.90X 10-30X (3.00X 10
7、8) 2 J =3.51 X 10-13J核物理中常用eV作为能量单位，根据leV=l.60X10T9j,可得气核的结合能3 5x0T3NE=1.八八79eV = 2.19X106 eV = 2.19 MeV1.0UX讨论当核反应中发生质量亏损时，根据爱因斯坦质能方程，反应前对应的能量大于反应后对 应的能量，核反应中释放核能；反之，当质量增加时，就有其他形式的能转化为核能，使核 能增加。在中子和质子结合成笊核时，释放的核能会以光子的形式释放出去。策略提炼运用NE = m3计算核能的变化时，若m以kg为单位，可代入公式计算。若Am 以u为单位，还可利用1 u相当于931.5 MeV计算。迁移原子
8、核的质量单位，通常会用原子质量单位u表示，lu = L660 5X 10-27 kg。请证明， 质量亏损lu将释放931.5 MeV的核能。杯核发生a衰变，其核衰变方程为23994Pu- 23592U + 42Heo已知钵核的质量为 239.052 2 u,铀核的质量为235.043 9 u,氢核的质量为4.002 6 uo请根据上述结论，计算 该衰变过程中释放的核能。原子核的结合能与其核子数有关。原子核的结合能与其质量数之比称为该核的平均结合 能(specifi c binding energy),又称为比结合能。平均结合能是核子结合成原子核时每个核子 平均释放的能量，也是把原子核分解成自由
9、核子时每个核子平均吸收的能量，反映了原子核 结合的稳定程度或分裂的难易程度。显然，平均结合能越大，原子核越难分离成单个，核子 越稳定。图5-19是不同原子核的平均结合能曲线。由平均结合能曲线可看出：重核的平均结合能比中等质量核的要小，容易裂变成中等质 量的核而释放出能量；轻核的平均结合能比稍重的核的要小，如果它们聚变成较重的核，也 要释放出能量。物理聊吧由平均结合能曲线观察原子核质量数与平均结合能的关系，比较不同原子核的稳定性, 找出核素的平均结合能有什么特点，并与同学讨论交流。节练习1.关于原子核的结合能，下列说法正确的是A.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. 一重原
10、子核衰变成a粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的 结合能C.平均结合能越大，原子核越不稳定D.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结合能【参考解答】AB2 .质子、中子和笊核的质量分别为7711 m2和真空中光速为Co当质子和中子结合成 笊核时，释放出的能量是多少？参考解答J (mi + m2一加3)考3 .太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为 4x1026J,根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量大约为多少？【参考解答】4.44x109kg4 .已知1680的平均结合能是7.98 MeV, 42He的平均结
11、合能是7.07MeV,如果要把168 O分成4个42He,需耍多少能量？【参考解答】14.56 MeV5 .某次核反应中，23592 U变成13654 Xe和9038Sr,同时释放出若干中子。23592U的平均结 合能约为7.6MeV, 13654Xe的平均结合能约为8.4MeV, 9038 Sr的平均结合能约为8.7MeVo (1)把23592 u分解成核子时，要吸收多少能量？(2)使相应的核子分别结合成,3654 Xe和9038 Sr时，要释放出多少能量？(3)在这个核反应中是吸收能量还是释放能量？这个能量大约是多少？【参考解答】(1) 1 786 MeV(2) 1 142.4 MeV, 738 MeV(3)释放的能量为94.4 MeV 6.静止的镭核22688 Ra发生衰变，放出1个粒子，变为氢核22286 R已知22688 Ra原子 核的质量为226.025 4 u, 22286所 原子核的质量为222.016 3 u,放出粒子的质量为4.002 6(1)写出核反应方程。(2)求镭核衰变释放的能量。(3)若衰变释放的能量均转变为氢核和放出粒子的动能，求放出粒子的动能。【参考解答】(1)2268sRa f 22286Rn + 4?He(2) 6.055 MeV(3) 5.95 MeV