核力與結(jié)合能7

1、第五節(jié)第五節(jié) 核力與結(jié)合能核力與結(jié)合能 原子核的組成原子核的組成 原子核是由質(zhì)子和中子原子核是由質(zhì)子和中子組成組成的，質(zhì)子和中子的，質(zhì)子和中子 統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為核子核子 電荷數(shù)電荷數(shù)=質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù) 質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)=質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)中子數(shù)=核子數(shù)核子數(shù) 原子核的半徑約為原子核的半徑約為10-15m , 只只 相當原子半徑的萬分之一。在這相當原子半徑的萬分之一。在這 么小的空間里帶正電的質(zhì)子與質(zhì)么小的空間里帶正電的質(zhì)子與質(zhì) 子間的庫侖斥力是很大，萬有引子間的庫侖斥力是很大，萬有引 力太小，只有庫侖力的力太小，只有庫侖力的10-36。而。而 通常原子核是穩(wěn)定的通常原子核是穩(wěn)定的,于是核內(nèi)還于是核內(nèi)還

2、應(yīng)有另一種力把各種核子緊緊拉應(yīng)有另一種力把各種核子緊緊拉 在一起在一起, 此力稱為核力。此力稱為核力。 核力核力 mp mp 庫侖力庫侖力 庫侖力庫侖力 萬有萬有 引力引力 萬有萬有 引力引力 核力核力 核子靠什么力結(jié)合成原子核？核子靠什么力結(jié)合成原子核？ 核力：核力：能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一起的能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一起的 強大的力叫做強大的力叫做核力核力 核力具有怎樣的特點呢？核力具有怎樣的特點呢？ 一、核力：一、核力： 2. 核力是短程力核力是短程力。作用范圍在。作用范圍在 1.510-15m之內(nèi)，核之內(nèi)，核 力在距離力在距離大于大于0.810 -15m時表現(xiàn)為引力 時表現(xiàn)為引力

3、, 距離超過距離超過 1.510-15m時核力幾乎消失，距離時核力幾乎消失，距離小于小于0.810-15m時為時為 斥力斥力。 3. 核力具有飽和性核力具有飽和性。核子只對相鄰的少數(shù)核子產(chǎn)。核子只對相鄰的少數(shù)核子產(chǎn) 生較強的引力，而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用。生較強的引力，而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用。 4. 核力具有電荷無關(guān)性核力具有電荷無關(guān)性。對給定的相對運動狀態(tài)，。對給定的相對運動狀態(tài)， 核力與核子電荷無關(guān)。核力與核子電荷無關(guān)。 要真正了解核子間的相互作用還要考慮核子的組 要真正了解核子間的相互作用還要考慮核子的組 成物成物夸克夸克的相互作用。的相互作用。 1. 核力是四種相互作用中的核

4、力是四種相互作用中的強相互作用（強力）強相互作用（強力）的的 一種表現(xiàn)。一種表現(xiàn)。 除核力外原子核內(nèi)還存在除核力外原子核內(nèi)還存在 弱相互作用（弱力）弱相互作用（弱力） 弱力是引起弱力是引起中子質(zhì)子中子質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因轉(zhuǎn)變的原因 弱相互作用也是短程力，力程比強力更短，為弱相互作用也是短程力，力程比強力更短，為 10 18m，作用強度則比電磁力小。 ，作用強度則比電磁力小。 二、原子核中質(zhì)子與中子的比例二、原子核中質(zhì)子與中子的比例 二、原子核中質(zhì)子與中子的比例二、原子核中質(zhì)子與中子的比例 自然界中較輕的原子自然界中較輕的原子 核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù) 大致相等，但對于較大致相等，但對于較

5、 重的原子核，中子數(shù)重的原子核，中子數(shù) 大于質(zhì)子數(shù)，越重的大于質(zhì)子數(shù)，越重的 元素，兩者相差越多。元素，兩者相差越多。 為什么會這樣呢？為什么會這樣呢？ 核越來越大，有些核子間的距離越來越遠。核越來越大，有些核子間的距離越來越遠。 隨著距離的增加，核力與電磁力都會減小，隨著距離的增加，核力與電磁力都會減小， 但核力減小得更快。所以，原子核大到一定但核力減小得更快。所以，原子核大到一定 程度時，相距較遠的質(zhì)子間的核力不足以平程度時，相距較遠的質(zhì)子間的核力不足以平 衡它們之間的庫侖力，這個原子核就不穩(wěn)定衡它們之間的庫侖力，這個原子核就不穩(wěn)定 了。這時，如果不再成對地增加核子，而只了。這時，如果不再

6、成對地增加核子，而只 增加中子，增加中子，中子與其他核子沒有庫侖斥力，中子與其他核子沒有庫侖斥力， 但有相互吸引的核力，有助于維系原子核的但有相互吸引的核力，有助于維系原子核的 穩(wěn)定。穩(wěn)定。由于這個原因，穩(wěn)定的重原子核里，由于這個原因，穩(wěn)定的重原子核里， 中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。 由于核力的作用范圍是有限的，如果繼由于核力的作用范圍是有限的，如果繼 續(xù)增大原子核，一些核子間的距離會大到其續(xù)增大原子核，一些核子間的距離會大到其 間根本沒有核力的作用，這時即使再增加中間根本沒有核力的作用，這時即使再增加中 子也無濟于事，這樣的核必然是不穩(wěn)定的。子也無濟于事，這樣的核必然是不穩(wěn)定的。

7、 在宇宙演化的進程中，各種粒子有機會在宇宙演化的進程中，各種粒子有機會 進行各種組合，但那些不穩(wěn)定的組合很快就進行各種組合，但那些不穩(wěn)定的組合很快就 瓦解了，只有瓦解了，只有200多種穩(wěn)定的原子核長久地多種穩(wěn)定的原子核長久地 留了下來?，F(xiàn)在觀察到的天然放射性元素，留了下來?，F(xiàn)在觀察到的天然放射性元素， 則正在瓦解之中。則正在瓦解之中。 某一數(shù)值時某一數(shù)值時 某一數(shù)值時某一數(shù)值時 相同相同 由于核子間存在著強大的核力，所以核子由于核子間存在著強大的核力，所以核子結(jié)合結(jié)合 成原子核或原子核成原子核或原子核分解分解為核子時，都伴隨著巨大的為核子時，都伴隨著巨大的 能量變化能量變化 nHH HHn 1

8、 0 1 1 2 1 2 1 1 1 1 0 例如： 可見，當核子結(jié)合成原子核時要放出一定能量；可見，當核子結(jié)合成原子核時要放出一定能量； 原子核分解成核子時，要吸收同樣的能量這個原子核分解成核子時，要吸收同樣的能量這個 能量能量叫做原子核的結(jié)合能叫做原子核的結(jié)合能 三、結(jié)合能三、結(jié)合能 結(jié)合能結(jié)合能并不是由于核子結(jié)合成原子核而并不是由于核子結(jié)合成原子核而 具有具有的能量，而是為把核子分開而的能量，而是為把核子分開而需要需要 的能量。的能量。 比結(jié)合能比結(jié)合能：結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做為比：結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做為比 結(jié)合能結(jié)合能。也叫平均結(jié)合能。也叫平均結(jié)合能。 比結(jié)合能越大，表示原子核中

9、核子結(jié)合得越比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越 牢固，原子核越穩(wěn)定。牢固，原子核越穩(wěn)定。 三、結(jié)合能三、結(jié)合能 四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損 1、例題：、例題： 中子的質(zhì)量中子的質(zhì)量 =1.6749=1.6749 1010 2727Kg Kg 質(zhì)子的質(zhì)量質(zhì)子的質(zhì)量 = = 1.672610 27Kg 中子和質(zhì)子的質(zhì)量和中子和質(zhì)子的質(zhì)量和 = = 3.347510 27Kg 氘核的質(zhì)量氘核的質(zhì)量 = = 3.343610 27Kg 質(zhì)量差質(zhì)量差 = = 0.003910 27Kg HHn 2 1 1 1 1 0 四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損 2、質(zhì)量虧損：原子核分解為核子時，質(zhì)量增加；核、質(zhì)量虧損：

10、原子核分解為核子時，質(zhì)量增加；核 子結(jié)合成原子核時，質(zhì)量減少。子結(jié)合成原子核時，質(zhì)量減少。原子核的質(zhì)量小于原子核的質(zhì)量小于 組成原子核的核子的質(zhì)量之和，叫做質(zhì)量虧損組成原子核的核子的質(zhì)量之和，叫做質(zhì)量虧損。 1、例題：、例題： 愛因斯坦質(zhì)能方程愛因斯坦質(zhì)能方程 E=mc2 式中 式中c是真空中的光速，是真空中的光速，m是物體的質(zhì)是物體的質(zhì) 量，量，E是物體的能量。是物體的能量。 核子核子在在結(jié)合成原子核結(jié)合成原子核時出現(xiàn)的時出現(xiàn)的質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損 mm， 正表明它們在互相結(jié)合過程中正表明它們在互相結(jié)合過程中放出了能量放出了能量 E=E= mmc c2 2 3、有關(guān)問題的理解和注意事項、有關(guān)問題

11、的理解和注意事項 第一第一.核反應(yīng)過程中核反應(yīng)過程中: 核子結(jié)合成原子核時核子結(jié)合成原子核時,新核質(zhì)量新核質(zhì)量小于小于核子的質(zhì)核子的質(zhì) 量量(質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損),同時以同時以 光子形式光子形式釋放核能釋放核能; 原子核分解為核子時原子核分解為核子時,需要需要吸收一定能量吸收一定能量,核子核子 的總質(zhì)量的總質(zhì)量大于大于原子核的質(zhì)量原子核的質(zhì)量. 第二第二.核反應(yīng)過程中核反應(yīng)過程中,質(zhì)量虧損時質(zhì)量虧損時,核子個數(shù)不虧損核子個數(shù)不虧損(即質(zhì)即質(zhì) 量數(shù)守恒量數(shù)守恒),可理解為組成原子核后可理解為組成原子核后,核內(nèi)每個核子仿佛核內(nèi)每個核子仿佛 “瘦了瘦了”一些一些. 第三第三.質(zhì)量虧損并非質(zhì)量消失質(zhì)量虧

12、損并非質(zhì)量消失,而是減少的質(zhì)量而是減少的質(zhì)量 m以能以能 量形式輻射量形式輻射(動質(zhì)量動質(zhì)量),因此因此質(zhì)量守恒定律不被破壞質(zhì)量守恒定律不被破壞. 第四第四.公式公式 E=E= mmc c2 2 的單位問題的單位問題 國際單位國際單位: m用用“kg” C用用“m/s” E E用用“ “J”J” 常用單位常用單位: m用用“u(原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位)” 1u=1.66056610-27kg E E用用“ “ucuc2 2” ” 1uc1uc2 2=931MeV =931MeV ( (表示表示1u 1u 的質(zhì)量變化相當于的質(zhì)量變化相當于931Me V931Me V的能量的能量 改變改變) )

13、 P39問題與練習(xí)問題與練習(xí) 3. 當然，當然，2.19MeV2.19MeV的能量的絕對數(shù)量并不算大，的能量的絕對數(shù)量并不算大， 但這只是組成但這只是組成1 1個氘核所放出的能量如果個氘核所放出的能量如果 組成的是組成的是6.026.02101023 23個氘核時，放出的能量 個氘核時，放出的能量 就十分可觀了與之相對照的是，使就十分可觀了與之相對照的是，使1 1摩的摩的 碳完全燃燒放出的能量為碳完全燃燒放出的能量為393.5393.510103 3J J折折 合為每個碳原子在完全燃燒時放出的能量只合為每個碳原子在完全燃燒時放出的能量只 不過不過4eV4eV若跟上述核反應(yīng)中每個原子可能若跟上述

14、核反應(yīng)中每個原子可能 放出的能量相比，兩者相差數(shù)十萬倍放出的能量相比，兩者相差數(shù)十萬倍 第五第五.核反應(yīng)中釋放或吸收的能量比化學(xué)反核反應(yīng)中釋放或吸收的能量比化學(xué)反 應(yīng)中釋放或吸收的能量大好幾個數(shù)量級應(yīng)中釋放或吸收的能量大好幾個數(shù)量級. 課堂練習(xí)課堂練習(xí): (1)試證明，試證明，1原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位u相當于相當于931.50 MeV的能的能 量量1u=1.6606-27kg，光速，光速c=2.9979108m/s， 1eV=1.602210-19J (2)碳原子的質(zhì)量是碳原子的質(zhì)量是12.000 000 u12.000 000 u，可以看做是由，可以看做是由6 6 個氫原子個氫原子( (質(zhì)量是質(zhì)量是1.007 825u)1.007 825u)和和6 6個中子組成的求個中子組成的求 核子結(jié)合成碳原子核時釋放的能量核子結(jié)合成碳原子核時釋放的能量( (在計算中可以在計算中可以 用碳原子的質(zhì)量代替碳原子核的質(zhì)量，用氫原子的用碳原子的質(zhì)量代替