核力与结合能

人教版选修3—5§19.5核力与结合能

质子相互间距约为1.5×10-15m；质子质量为1.67×10-27kg

质子带电量为1.6×10-19C；万有引力常为6.67×10-11

静电力常量为9×109

复习巩固①20世纪初，人们知道自然界存在万有引力和电磁力这两种基本相互作用，你能算出相同的距离上，两质子间的电磁力（库伦斥力）是万有引力的多少倍？

核力mpmp库仑力库仑力万有引力万有引力核力

质子间的库伦斥力（电磁力）是万有引力的1035---倍1036②是什么作用使质子在原子核内共存？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。核力：使核子结合在一起的强相互作用

核力存在于质子之间、中子之间及中子与质子之间，即核子之间。中子质子原子核示意图

核力是只在1.5×10－15m距离内起作用的短程强相互作用力。核力在大于0.8×10－15m时表现为引力，小于0.8×10－15m时表现为斥力。只有相邻的核子之间才有核力作用。一、核力与四种基本相互作用1.万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，决定了宇宙的现状和未来。四种相互作用3.强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。2.电磁力：在原子核外，电磁力使原子结合成分子，使分子结合成液体与固体。电磁力和万有引力都是“长程力”，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小4.弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β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10－18m，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。能否将这四条理论统一起来呢？一、核力与四种基本相互作用请同学们找出元素周期表，分析随着原子序数的增大，质子数与中子数有什么关系？二、原子核中质子与中子的比例结论：自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多。质子数中子数理想的质子数和中子数相等的稳定原子核实际存在的原子核原因分析：核越大，核子间距离增大库仑力与核力均减少，但核力减少快增大到一定程度时，核力较少，不足以平衡库仑力时，原子核会不稳定。若增加中子，与其它核子无库仑力，但有核力，有助于原子核稳定核力是短程力，若超过其作用范围，增加中子，原子核也不稳定，所以原子序数越大越不稳定。三、结合能①将一个质子和中子结合在一起，会产生什么现象？若要把它们分开，需要什么条件？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。微观模型：原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。类比分析：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、施加电场、赋予光子等某种途径让它得到13.6eV的能量。这个能量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，而结合能一词只用在原子核中

②结合能是原子具有的能量吗？如何理解结合能？三、结合能

当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量。这个能量叫做原子核的结合能。结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把核子分开而需要的能量。③结合能的大小与什么因素有关？

组成原子核的核子数，组成原子核的核子数越多，结合能越大。

结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。因为比结合能越大，将每个核子分开所需的能量越大。三、结合能④什么是比结合能？为什么说比结合能越大，原子核中核子结合越牢固、原子越稳定？

从相对论得出，物体的能量和质量之间存在如下密切联系。

爱因斯坦的质能方程表明：物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系。

爱因斯坦的质能方程：E＝mc2

能量减小ΔE=Δm·c2①物体的质量和能量有何关系？若一个物体质量减小了△m，那么它的能量减小多少？四、质量亏损四、质量亏损②已知中子的质量mn=1.6749×10-27kg，质子的质量为mp=1.6726×10-27kg，氘核的质量mD=3.3436×10-27kg。将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了多少？能量减小了多少？氘核的结合能是多少？比结合能是多少？质量减小量:

△m=(mp+mn)-

mD=0.0039×10-27kg；能量减小量:

△E=△m

c2=3.51×10-13J=2.19×106eV；结合能:△E=△m

c2=2.19MeV；比结合能为:△E/n=△E/2=1.10MeV。四、质量亏损③将一个质子和一个中子结合成一个氘核，能量减小了，是否违反了能量守恒定律？为什么？

没有违反能量守恒定律；减小的这部分能量以γ光子释放出去。④将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了，是否违反了质量守恒定律？为什么？

没有违反质量守恒定律；减小的那部分质量等于γ光子的动质量。⑤什么是质量亏损？质量亏损表明什么？四、质量亏损

原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象称为质量亏损。质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。

⑥如下图，哪些原子核最稳定，为什么？平均结合能核子的平均结合能随质量数的变化z

中等大小的核最稳定，因为这些核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大）。

中等大小的核，核子的平均质量较小。核子平均质量四、质量亏损⑦若要释放结合能，我们可以怎么做？为什么？

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。典例探究四、质量亏损反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量和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γ光子具有的能量为例2（B级）.中子和质子结合成氘核，同时释放γ光子，核反应方程是,下列说法正确的是（）为核反应中的质量亏损ACD典例探究四、质量亏损例3(B级).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931MeV。证明：碳原子