核力与结合能(公开课)

1、回顾：原子核的组成回顾：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，质子和中子统的，质子和中子统称为称为核子核子第五节第五节 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仑斥力，那为什么质大的库仑斥力，那为什么质子没有被排斥开，反而还紧子没有被排斥开，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？m1510一一 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

2、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。估算库估算库仑力与万有引力之比？仑力与万有引力之比？万库FF解：解：3610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力是不可能的。抗衡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/）GmkerGmrke一一 核力及其性质核力及其性质核力：核力：相邻的核子之间存在的强

3、相互作用力。相邻的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）核力是强相互作用力；）核力是强相互作用力；在原子核尺度内，在原子核尺度内， 核力比库仑力大得多。核力比库仑力大得多。（2）核力是短程力，作用范围在）核力是短程力，作用范围在1.510-15m之之内。核力在大于内。核力在大于0.810-15m时表现为吸引力，时表现为吸引力，且随距离增大而减小，在小于且随距离增大而减小，在小于0.810-15m，核，核力表现为斥力。力表现为斥力。（3）每个核子只跟邻近的核子发生核力作用）每个核子只跟邻近的核子发生核力作用（饱和性）。（饱和性）。（4） 核力具有电荷无关性。核力具有电荷无关

4、性。1、概念：、概念：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自然界中较轻的原子自然界中较轻的原子核，质子数与中子数核，质子数与中子数大致相等，但对于较大致相等，但对于较重的原子核，中子数重的原子核，中子数大于质子数，越重的大于质子数，越重的元素，两者相差越多。元素，两者相差越多。为什么会这样呢？为什么会这样呢？核越来越大，有些核子间的距离越来越远。随着核越来越大，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，距离的增加，核力与电磁力都会减小，但核力减但核力减小得更快小得更快。所以，原子核大到一定程度时，相距。所以，原子核大到一定程度时，相距较远的质子间的核力

5、不足以平衡它们之间的库仑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。这时，如果不再成力，这个原子核就不稳定了。这时，如果不再成对地增加核子，对地增加核子，而只增加中子，中子与其他核子而只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，有助于维，有助于维系原子核的稳定。由于这个原因，稳定的重原子系原子核的稳定。由于这个原因，稳定的重原子核里，中子数要比质子数多。核里，中子数要比质子数多。 三三 结合能结合能要将原子核拆散成单个核子，一定需要吸收巨要将原子核拆散成单个核子，一定需要吸收巨大的能量。大的能量。二二 结合能结合能nHH1

6、01121HnH211011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【思考】：结合能越大原子核是不是越难被拆散？【思考】：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 比结合能比结合能如何才能反映原子核的

7、稳定程度？如何才能反映原子核的稳定程度？U-235Li-6三三 比结合能（平均结合能）比结合能（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，外界必须提供给每个核子的平均能量。核子时，外界必须提供给每个核子的平均能量。 2、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。平均它反映了一个原子核稳定程度。平均结合能越大，核越稳定。结合能越大，

8、核越稳定。物理物理课室课室4）规律：较轻核和较重核的核子平均结合能较小）规律：较轻核和较重核的核子平均结合能较小,稳定性较差稳定性较差;中等质量核的核子平均结合能较大，中等质量核的核子平均结合能较大，稳定性较好。稳定性较好。 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该核的全部核子在物理上，原子核的质量总是小于组成该核的全部核子独自存在时的总质量，

9、这两者的差额叫做独自存在时的总质量，这两者的差额叫做质量亏损质量亏损 原子核的结合能会不会与质量原子核的结合能会不会与质量 亏损有关呢？你的依据是什么？亏损有关呢？你的依据是什么？ 四四 质量亏损质量亏损 E=mcE=mc2 2 (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的能量。任何一部分能量也都与一定的质量向对的能量。任何一部分能量也都与一定的质量向对应。应。（3）物

10、体的质量发生变化，相对应的能量也会）物体的质量发生变化，相对应的能量也会变化。变化。HnH211011232232221)(1cmmmEEcmcmcmm1m2m3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。2mcE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四四 质量亏损质量亏损 EE四四 质量亏损质量亏损 E=mcE=mc2 2HHn211110反应前质量反应前质量/kg反应后质量反应

11、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理论值：理论值：m=(mn+mp-m氘）=0.0039 1027kg28 272)10 (3.010 0.0039=mc =EJ131051. 3试验值：试验值：MevMev19. 210106 . 11051. 3619132.22Mev2mcE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，在带入质能方，在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四四 质能方程质能方程 E=mcE

12、=mc2 2【讨论与交流【讨论与交流】四四 质能亏损质能亏损 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、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。象不同，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，可推得E=mc2,这说明质量这说明质量就是能量，质量可以转化为能量。就是能量，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，、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。决不方程建立了这两个属性在数值上的关系。决不是

13、这两个量相互转化。是这两个量相互转化。（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。四四 质量亏损质量亏损 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

14、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、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，是质量守恒在核反应中的客观体现核反应中的客观体现HnH211011m1m2m3EE 目标检测目标检测1、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，以纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献。对于爱因斯念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坦提出的质能方程E=mc2，下列说法中正确的，下列说法中正确的是（是（ )A、E=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比表明物

15、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= mc2 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、C2、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232

16、1)(cmmm2421)(cmmm24321)(cmmmm22143)(cmmmmA、C、D、B、CnHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10423121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）3、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