核力与结合能_重核裂变_核聚变、粒子和宇宙

1、19.5 核力与结合能核力与结合能 ？mpmp库仑力库仑力万有引力问题问题2 2：核子靠什么力结合成原子核？：核子靠什么力结合成原子核？问题问题1 1：氦原子核中有两个质子，质子质量为：氦原子核中有两个质子，质子质量为m mp p=1.67=1.671010-27-27kgkg，带电带电量为元电荷量为元电荷e=1.6e=1.61010-19-19C C，原子核的直径的数量级为原子核的直径的数量级为1010-15-15m m，那么两个质子之，那么两个质子之间的库仑斥力与间的库仑斥力与万有引力万有引力两者相差多少倍两者相差多少倍? ?一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用20世纪初，

2、人们知道自然界存在和这两种基本相互作用，请算出相同的距离上，两质子间的这种作用力有哪些特点？人们对这种相互作用的认识还有哪些有待完善？ 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。 猜想：有第三种力-核力，是核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用2. 核力是核力是短程力短程力。约在。约在 10-15m量级时起作用，距离大于量级时起作用，距离大于0.810-15m时为时为引力引力, 距离为距离为1.510-15m时核力几乎消失，距时核力几乎消失，距离小于离小于0.810-15m时为时为斥力斥力，因此核子不会融合在一起

3、。，因此核子不会融合在一起。1. 核力是四种相互作用中的核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）强相互作用（强力）的一种表的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。3. 核力具有核力具有饱和性饱和性。每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，。每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。这种性质称之为核力的饱和性。 核力特点核力特点4. 核力具有核力具有电荷无关性电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与核。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。（子电荷无关。（P79）小于0.810-15m时核力的变化规律还不清楚。一、核力与四种基

4、本相互作用一、核力与四种基本相互作用 弱相互作用是引起原子核发生衰变的原因,即引起中子质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为10-18 m，作用强度比电磁力弱。 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。宙的现状和未来。3.3.强相互作用强相互作用：在原子核内，强力将在原子核内，强力将核子束缚在一起核子束缚在一起。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

5、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“”，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：弱相互作用是弱相互作用是引起原子核引起原子核衰变的原因衰变的原因，即引起中子质子转变的原因。弱相互作用也是即引起中子质子转变的原因。弱相互作用也是，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。 物理学有一条理论：叫做简单才是美。能否将这四条理论物理学有一条理论：叫做简单才是美。能否将这四条理论统

6、一起来呢？统一起来呢？一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用二、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轻核（原子序数小于20）的质子数和中子数大致相等；对轻核而言，核子数量相对较小，核子间距处于核力作用范围之内，由于核力远大于电磁力，即使质子和中子成对出现，强大的核力也可以将核子紧紧地束缚在原子核的范围之内，形成稳定的原子核。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重核（原子序数大于20）的质子数小于中子数；对于重核而言，核子数量大，核子间距也大，由于核力的饱和性，核力会因为核子间距的变大而大幅度减小，甚至小于电磁力。如果质子和中子再成对出现，原子核

7、不稳定；如果只增加中子，由于中子之间不存在库仑力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以重核内中子数会明显大于质子数。 二二 结合能结合能nHH101121HnH211011当光子能量等于或当光子能量等于或大于大于2.22MeV时，时，这个反应才会发生这个反应才会发生 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三、结合能三、结合能 核子核子结合结合成原子核时要成原子核时

8、要放出放出一定能量；原子一定能量；原子核核分解分解成核子时，要成核子时，要吸收吸收同样的能量。这个能量同样的能量。这个能量叫做叫做原子核的结合能原子核的结合能。 结合能结合能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拥有拥有的的能量，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。结合能与核子数之比，称做比结合能，结合能与核子数之比，称做比结合能，也也叫叫平均结合能平均结合能。比结合能比结合能越大越大，表示原子核中核子结合得，表示原子核中核子结合得越牢固

9、越牢固，原子核，原子核越稳定越稳定。因为比结合能越大，因为比结合能越大，将每个核子分开将每个核子分开 越大。越大。三、结合能三、结合能8、四、质量亏损四、质量亏损有何关系？若一个物体质量有何关系？若一个物体质量减小了减小了m，那么它的能量减小多少？，那么它的能量减小多少？ 爱因斯坦的质能方程：爱因斯坦的质能方程：Emc2， 能量变化能量变化 E=mc2四、质量亏损四、质量亏损质量减小量质量减小量: m=( mp+ mn)- mD=0.003910-27kg；能量减小量能量减小量: E=m c2=3.5110-13J=2.19106eV；结合能结合能:E=m c2=2.19MeV；比结合能为比结

10、合能为:E/n=E/2=1.10MeV 。四、质量亏损四、质量亏损四、质量亏损四、质量亏损四、质量亏损四、质量亏损 使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等质量的核； 因为使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等大小的核，核子的比结合能都会增加，即核子将发生新的质量亏损，释放新的核能。OZABCDEF核子平均质量 目标检测目标检测1、以以下关于核力的说法正确的是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

11、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 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提出的质能方程E=mc2，下列说法中正确的是，下列说法中正确的是（ )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表示发生核反应过程中释放的核能核能C、 根据根据E= mc2 可以计算核反应中释放的可以计算核反应中释放的核能核能D、 E= m

12、c2 表示发生的质量亏损表示发生的质量亏损 m转变转变成为能量成为能量 E释放出来释放出来A、C3、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，氦核的质量为质量为m3,中子的质量为中子的质量为m4,则反应过程中释放的则反应过程中释放的能量为：能量为： （ ） 目标检测目标检测2321)(cmmm2421)(cmmm24321)(cmmmm22143)(cmmmmA、C、D、B、CnHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121n

13、HeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10423121核反应方程为：核反应方程为：2mcE 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，、一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个同时辐射一个光子。已知质子、中子、氘核的光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为质量分别为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，真空中

14、的光速为的光速为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HnH3110112321)(cmmmhD、 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 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。主要特点是特点是_,_.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_ (“吸收吸收”或或“放出放出”)同样的能

15、量，这个能同样的能量，这个能量叫做原子核的结合能。量叫做原子核的结合能。3、结合能与核子数之比称、结合能与核子数之比称_,平均结合平均结合能能_ (“越大越大”“”“越小越小”)表示原子核中核子表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。结合得越牢固，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2mcE19.6 重核的裂变原子核聚变裂变U23592n10+Ba14156Kr9236+n310kg103578. 027m2201MeVEmc1kg铀全部裂变，它放出的

16、能量超过2000t优质煤完全燃烧时释放的能量中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图 水泥防护层水泥防护层控制棒控制棒镉棒镉棒燃料棒燃料棒铀棒铀棒减速剂减速剂世界核能发电占全部电量世界核能发电占全部电量1/41/4 核燃料铀235第七节第七节核核 聚聚 变变复习：复习：1.核裂变、链式反应的概念？核裂变、链式反应的概念？链式反应的条件？链式反应的条件？2.什么是核反应堆？它由哪些组成？各自作用是什什么是核反应堆？它由哪些组成？各自作用是什么？核电站概念？么？核电站概念？铀核裂变的两种常见方式？铀核裂变的两种常见方式？n3KrBanU109236141561023592n01SrXenU10903813

17、6541023592人为控制链式反应的速度，使得核能按照人们的需要人为控制链式反应的速度，使得核能按照人们的需要平缓地释放出来平缓地释放出来-核反应堆。核反应堆。 核反应堆是可以进行核裂变链式反应，并对其输出功率是可以进行核裂变链式反应，并对其输出功率能够安全地进行控制的装置能够安全地进行控制的装置 核电站，它是将核反应堆所产生的热能引出到外部，它是将核反应堆所产生的热能引出到外部，并且高效率地将热能转换成电能的设备。并且高效率地将热能转换成电能的设备。OZABCDEFFe核子平均质量一、核聚变一、核聚变1.概念：概念：2341112017.6MeVHHHen23411120HHHen2231

18、1111HHHH轻核的聚变轻核的聚变: :2341112017.6MeVHHHen1、必须让轻核的距离非常接近、必须让轻核的距离非常接近m10152、必须让轻核具有很大的动能、必须让轻核具有很大的动能需要克服极大的库仑斥力需要克服极大的库仑斥力1kE2kE如何能使轻核具有很大的动能呢？可以将轻核加热到很高的温度当物质达到几百万摄氏度以上的高温时，剧当物质达到几百万摄氏度以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核已经具有足够烈的热运动使得一部分原子核已经具有足够的动能，可以克服相互之间的库仑斥力，在的动能，可以克服相互之间的库仑斥力，在碰撞时发生聚变因此，聚变反应又叫碰撞时发生聚变因此，聚变反应

19、又叫热核反应目前，目前，热核反应热核反应主要用在核武器上主要用在核武器上氢弹氢弹氢弹原理图氢弹原理图太阳是一个巨大的热核反应堆太阳是一个巨大的热核反应堆二、受控热核反应二、受控热核反应（1）轻核聚变产能效率高）轻核聚变产能效率高1.聚变与裂变相比的优点：聚变与裂变相比的优点：（2）地球上聚变燃料的储量丰富）地球上聚变燃料的储量丰富（3）轻核聚变更安全、清洁）轻核聚变更安全、清洁（4）2.实现核聚变的难点：实现核聚变的难点：、热核反应的的点火温度很高；、热核反应的的点火温度很高； 、如何约束聚变所需的燃料；、如何约束聚变所需的燃料； 磁约束磁约束目前，解决这些难题的目前，解决这些难题的途径之一是

20、利用是利用等离子体 当用强大的电流向核聚变燃料氘（气体）放电时，就能产生几千万甚至上亿摄氏度的高温，同时使氘原子分离成带正电的和带负电的粒子，从而形成了“等离子体” 用强磁场能够促使高温下的带电粒子会聚成细柱状而用强磁场能够促使高温下的带电粒子会聚成细柱状而不飞散，这样就能根据需要来控制核聚变反应的速度不飞散，这样就能根据需要来控制核聚变反应的速度 惯性约束惯性约束将具有巨大能量的激光用透镜形成一个极小的焦斑，将具有巨大能量的激光用透镜形成一个极小的焦斑，这样就能产生极高的温度，利用这一高温，可使处在这样就能产生极高的温度，利用这一高温，可使处在焦斑处的液态氘逐渐地向四周形成聚变反应。焦斑处的

21、液态氘逐渐地向四周形成聚变反应。磁约束与托卡马克核聚变装置惯性约束与激光核聚变惯性约束与激光核聚变 激光核聚变。它是在一个直径约激光核聚变。它是在一个直径约100微米的小球微米的小球内充以高压的氘一氚混合气体（或结冰的固体），内充以高压的氘一氚混合气体（或结冰的固体），称称靶丸，然后用强功率的激光束均匀地从四面八方，然后用强功率的激光束均匀地从四面八方照射小靶丸，靶丸中的核燃料吸收激光的能量形成照射小靶丸，靶丸中的核燃料吸收激光的能量形成等离子体，这些等离子体因其惯性，在还来不及飞等离子体，这些等离子体因其惯性，在还来不及飞散开的极短时间内，向内压缩到很高密度（液体密散开的极短时间内，向内压缩到很高密度（液体密度的一千到一万倍）和加热到很高温度，因而产生度的一千到一万倍）和加热到很高温度，因而产生热核聚变反应。这种