高中物理选修3-5第十九章第五节+核力与结合能上课讲义

1、高中物理选修3-5第十九章第五节+核力与结合能一一 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的数量级的数量级为为10-27kg，质子电量，质子电量e的数量级为的数量级为10-19C；万有引力常量；万有引力常量G的数量级为的数量级为10-11，静电力常量静电力常量k的数量级为的数量级为109。估算两估算两质子间质子间库仑斥力库仑斥力与与万有引力万有引力之比？之比？万库FF解：解：结论：结论：原子核中的质子要靠自身的万有引力来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斥力是不可能的。抗衡相互间的库仑斥力是不可能的。再猜想：再猜

2、想：在核子之间一定存在着第三种力，使核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子能紧密的结合在一起核力核力227112199222222)10(1010(10/）GmkerGmrke36101、核力、核力：核子之间存在的强相互作用力。核子之间存在的强相互作用力。2、核力的性质：、核力的性质：（1）核力是）核力是强相互作用强相互作用（强力）（强力），在原子核尺度内，核，在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。力比库仑力大得多。（2）核力是）核力是短程力短程力，作用范围在，作用范围在1.510-15m之内。核力之内。核力在大于在大于0.810-15m时表现为吸引力，且随距离增大而减时表现

3、为吸引力，且随距离增大而减小，超过小，超过1.510-15m ，核力急剧下降几乎消失；而在距，核力急剧下降几乎消失；而在距离小于离小于0.810-15m时，核力表现为斥力，因此核子不会时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起。融合在一起。（3）核力具有）核力具有饱和性饱和性，每个核子只跟邻近的核子发生核，每个核子只跟邻近的核子发生核力作用。力作用。一一 核力及其性质核力及其性质1.1.万有引力：万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上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，决定了宇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。

4、宙的现状和未来。四四种种基基本本相相互互作作用用3.3.强相互作用：强相互作用：在原子核内，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。分子结合成液体与固体。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，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小无限远的距离，当然距离越远，力就越小4.4.弱相互作用：弱相互作用：弱相互作用是引起原子核弱相互作用是引起原子核衰变衰变的原因，的原因，即引起即引起中子质子中子质子转变的原因。弱相

5、互作用也是短程力，转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为其力程比强力更短，为10101818m m，作用强度则比电磁力小。，作用强度则比电磁力小。 物理学家一直梦想将自然界的四种相互作用纳入某种统一物理学家一直梦想将自然界的四种相互作用纳入某种统一的理论中，爱因斯坦为此做了大半生的努力，但没有成功。的理论中，爱因斯坦为此做了大半生的努力，但没有成功。氘核）( H2 1 氦核）(He4 2 碳核）( C12 6 二、原子核中质子和中子的比例二、原子核中质子和中子的比例氧核）( O16 8 钍核）Th(234 90 铀核）(23892U二、原子核中质子和中子的比例二、原子核中质子和

6、中子的比例 不能不能；由于；由于核力的作用范围是有限核力的作用范围是有限的，的，以及以及核力的饱和性核力的饱和性，如果我们继续增大原子，如果我们继续增大原子核，一些核子间的距离会核，一些核子间的距离会大到大到其间根本其间根本没有没有核力核力的作用，这时即使再增加中子，形成的的作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。核也一定是不稳定的。二、原子核中质子和中子的比例二、原子核中质子和中子的比例宏观模型：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，动能变成动速度越来越大，引力势能转化

7、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。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。 要将原子核拆散成单个核子，也一定需要的能量。要将原子核拆散成单个核子，也一定需要的能量。根据功能关系，理由是什么？根据功能关系，理由是什么？三、结合能三、结合能微观模型：微观模型：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的开，也需要能量，这就是原子核的结合能结合能。 三

8、、三、 结合能结合能结合能：结合能：将原子核拆分成单个核子需要吸收的能量将原子核拆分成单个核子需要吸收的能量将单个核子结合成原子核所要放出的能量将单个核子结合成原子核所要放出的能量类比分析：类比分析：要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子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、照射光子中把电子剥离，需要通过碰撞、照射光子等途径让它得到等途径让它得到13.6eV 13.6eV 的能量。这个能量的能量。这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能，不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，而过通常把它叫做氢原子的电离能，而结合结合能一词只用在原子核中能一

9、词只用在原子核中 三、三、 结合能结合能 -0.85n2341E（eV） -3.40 -1.510-13.60m rv 当核子当核子结合结合成原子核时要成原子核时要放出放出一定能量；原一定能量；原子核子核分解分解成核子时，要成核子时，要吸收吸收同样的能量。这个能同样的能量。这个能量叫做量叫做原子核的结合能原子核的结合能。 结合能并结合能并不是不是由于核子结合成原子核而由于核子结合成原子核而具有具有的能量，的能量，而是而是为把核子分开而为把核子分开而需要需要的能量。的能量。 组成原子核的组成原子核的核子数核子数，组成原子核的，组成原子核的核子核子数越多，结合能越大。数越多，结合能越大。三三 结合

10、能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结合能越大原子核是不是越难被拆散？即：结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？合能的大小能不能反映原子核的稳定程度？三三 结合能结合能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称做比结称做比结合能，合能，也叫也叫平均结合能平均结合能。2）理解：）理解：核子结合成原子核时，平均每个核子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所释放的结合能，它也等于把原子核拆散成每个核子时，外界提供给每个核子的平均能量。核子时，

11、外界提供给每个核子的平均能量。 比结合能比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。比结它反映了一个原子核稳定程度。比结合能越大，原子核越稳定。合能越大，原子核越稳定。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？比结合能：比结合能： (1) 物体具有的能量跟它的质量存在着简单正比物体具有的能量跟它的质量存在着简单正比关系关系.对质能方程对质能方程E=mc2的理解：的理解：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的能量。的能量。（3）物体的质量发生变化，相对应的能

12、量也会）物体的质量发生变化，相对应的能量也会变化。变化。如何求解原子核的结合能？如何求解原子核的结合能？如何求解原子核的结合能？如何求解原子核的结合能？HHn211110反应前质量反应前质量/kg反应后质量反应后质量/kgmn1.67491027m氘氘3.34361027mp1.67261027总质量总质量总质量总质量3.343610273.3475 1027在物理上，原子核的质量总是小于组成它的核子的质量在物理上，原子核的质量总是小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫做之和，这个现象叫做质量亏损。质量亏损。 如何应用质能方程求解如何应用质能方程求解原子核的结合能？原子核的结合能？ 四、质能方

13、程四、质能方程 E=mc2HHn211110反应前质量反应前质量/kg反应后质量反应后质量/kgmn1.67491027mD3.34361027mp1.67261027总质量总质量总质量总质量3.343610273.3475 1027m=(mm=(mn n+m+mp p-m-mD D)=0.0039 )=0.0039 1027kg28 272)10 (3.010 0.0039=mc =EJ131051. 3MevMev19. 210106 . 11051. 361913四、质能方程四、质能方程 E=mc2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，再带入，再带入质能方程求出

14、结合能质能方程求出结合能2mcE2mcE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，在带入质能方程求出结合能质能方程求出结合能计算任意核反应中释放计算任意核反应中释放的核能，先计算质量亏的核能，先计算质量亏损损m m，再带入质能方，再带入质能方程求出核能。程求出核能。核能核能质量亏损质量亏损四、质能方程四、质能方程 E=mc2【讨论与交流】【讨论与交流】1、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。由质能方程

15、由质能方程E=mc2，可推得，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，方程建立、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，质量亏损对应能量释放。了这两个属性在数值上的关系，质量亏损对应能量释放。但决不是这两个量相互转化。但决不是这两个量相互转化。四、质能方程四、质能方程 E=mc2 中等大中等大小的核最小的核最稳定稳定，因，因为这些核为这些核的的比结合比结合能最大能最大（平均每平均每个核子的个核子的质量亏损质量亏损最大最大）。）。猜想获得核能的途径？猜想获得核能的

16、途径？ 课堂小结课堂小结一、核力一、核力二、原子核中质子数与中子的比例关系二、原子核中质子数与中子的比例关系三、结合能和比结合能三、结合能和比结合能四、质量亏损四、质量亏损例1、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931.5MeV。证明： 碳原子的摩尔质量为碳原子的摩尔质量为M=12g/molM=12g/mol，所以，所以一个碳一个碳原子质量原子质量为为m=M/NA=1.993m=M/NA=1.9931010-26-26kgkg 所以所以1u=m/12=M/12NA=1.66061u=m/12=M/12NA=1.66061010-27-27kgkg 代入公式代入公式E=mcE=mc2 2得：得： E=1.4924E=1.49241010-10-10J=931.5MeVJ=931.5MeV 得证得证 反应后氘核的质量一定小于反应前质子和反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量和中子的质量和 反应前后质量数不变，因而质量不变反应前后质量数不变，因而质量不变 核子结合成核时，一定释放核能核子