第五節(jié)核力與結(jié)合能

第五節(jié)核力與結(jié)合能第一頁，共十五頁，編輯于2023年，星期一思考：在原子核那樣狹小的空間里，帶正電的質(zhì)子為什么能夠擠在一起而不飛散？原子核質(zhì)子（帶正電）中子猜想：萬有引力？

理論驗(yàn)證：質(zhì)子相互間距數(shù)量級(jí)是10-15m；質(zhì)子質(zhì)量數(shù)量級(jí)10-27kg

質(zhì)子量電量數(shù)量級(jí)10-19kg；萬有引力常量數(shù)量級(jí)10-11靜電力常量數(shù)量級(jí)109結(jié)論：萬有引力太小，只有庫侖力的10-35到10-36之間。原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬有引力來抗衡相互間的庫侖力是不可能的。猜想：有第三種力--核力，是核力把核子緊緊地束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核。復(fù)習(xí)鞏固第二頁，共十五頁，編輯于2023年，星期一核力：能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一起的強(qiáng)大的力叫做核力（強(qiáng)相互作用，也叫強(qiáng)力）．一、核力2.核力是短程力。約在10-15m量級(jí)時(shí)起作用，距離大于0.8×10-15m時(shí)為引力,距離為10×10-15m時(shí)核力幾乎消失，距離小于0.8×10-15m時(shí)為斥力，因此核子不會(huì)融合在一起。1.核力是四種相互作用中的強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）的一種表現(xiàn)。在原子核尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多。3.核力具有飽和性。每個(gè)核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，這種性質(zhì)稱之為核力的飽和性。4.核力具有電荷無關(guān)性。對(duì)給定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，核力與核子電荷無關(guān)。（見書本P79圖）特點(diǎn)第三頁，共十五頁，編輯于2023年，星期一1.萬有引力：引力主要在宏觀和宇宙尺度上“獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷”。是引力使行星繞恒星轉(zhuǎn)動(dòng)，并且聯(lián)系著星系團(tuán)，決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來。四種相互作用3.強(qiáng)相互作用：在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將核子束縛在一起。2.電磁力：在原子核外，電磁力使電子結(jié)合成分子，使分子結(jié)合成液體與固體。電磁力和萬有引力都是“長程力”，即它們可以作用到無限遠(yuǎn)的距離，當(dāng)然距離越遠(yuǎn)，力就越小4.弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β衰變的原因，即引起中子－質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強(qiáng)力更短，為10－18m，作用強(qiáng)度則比電磁力小。物理學(xué)有一條理論：叫做簡單才是美。能否將這四條理論統(tǒng)一起來呢？第四頁，共十五頁，編輯于2023年，星期一請同學(xué)們找出元素周期表，分析隨著原子序數(shù)的增大，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)有什么關(guān)系？二、原子核中質(zhì)子與中子的比例結(jié)論：自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對(duì)于較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多。質(zhì)子數(shù)中子數(shù)理想的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)相等的穩(wěn)定原子核實(shí)際存在的原子核原因分析：核越大，核子間距離增大庫侖力與核力均減少，但核力減少快增大到一定程度時(shí)，核力較少，不足以平衡庫侖力時(shí)，原子核會(huì)不穩(wěn)定。若增加中子，與其它核子無庫侖力，但有核力，有助于原子核穩(wěn)定核力是短程力，若超過其作用范圍，增加中子，原子核也不穩(wěn)定，所以原子序數(shù)越大越不穩(wěn)定。第五頁，共十五頁，編輯于2023年，星期一宏觀模型：相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)物體，由于萬有引力而相互接近，運(yùn)動(dòng)速度越來越大，引力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能最后撞在一起，動(dòng)能變成它們的內(nèi)能散失掉了。兩個(gè)物體為了結(jié)合而付出了代價(jià)－－失去了一些能量，如果要把它們分開，還要重新賦予它們這份能量。微觀模型：原子核是核子結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能。模型分析類比分析：要使基態(tài)氫原子電離，也就是要從氫原子中把電子剝離，需要通過碰撞、施加電場、賦予光子等某種途徑讓它得到13.6eV的能量。這個(gè)能量實(shí)際上就是電子與氫原子核的結(jié)合能，不過通常把它叫做氫原子的電離能，而結(jié)合能一詞只用在原子核中。第六頁，共十五頁，編輯于2023年，星期一由于核子間存在著強(qiáng)大的核力，所以核子結(jié)合成原子核或原子核分解為核子時(shí)，都伴隨著巨大的能量變化．可見，當(dāng)核子結(jié)合成原子核時(shí)要放出一定能量；原子核分解成核子時(shí)，要吸收同樣的能量．這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能．三、結(jié)合能注意：結(jié)合能并不是由于核子結(jié)合成原子核而具有的能量，而是為把核子分開而需要的能量。第七頁，共十五頁，編輯于2023年，星期一例題：請計(jì)算一下方程左右的質(zhì)量中子的質(zhì)量=1.6749×10－27Kg質(zhì)子的質(zhì)量=1.6726×10－27Kg中子和質(zhì)子的質(zhì)量和=3.3475×10－27Kg氘核的質(zhì)量=3.3436×10－27Kg質(zhì)量差=0.0039×10－27Kg四、質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損:愛因斯坦的質(zhì)能方程：E＝mc2質(zhì)量虧損表明原子核內(nèi)的確存在著結(jié)合能。核子在結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)的質(zhì)量虧損Δm，正表明它們在互相結(jié)合過程中放出了能量ΔE=Δm·c2第八頁，共十五頁，編輯于2023年，星期一自然，原子核越大，它的結(jié)合能越高。因此，有意義的是它的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱作比結(jié)合能也叫平均結(jié)合能。比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。比結(jié)合能中等大小的核的比結(jié)合能最大（平均每個(gè)核子的質(zhì)量虧損最大），這些核最穩(wěn)定。第九頁，共十五頁，編輯于2023年，星期一第一..核反應(yīng)過程中:

核子結(jié)合成原子核時(shí),新核質(zhì)量小于核子的質(zhì)量(質(zhì)量虧損),同時(shí)以光子形式釋放核能;

原子核分解為核子時(shí),需要吸收一定能量,核子的總質(zhì)量大于原原子核的質(zhì)量.第二.核反應(yīng)過程中,質(zhì)量虧損時(shí),核子個(gè)數(shù)不虧損(即質(zhì)量數(shù)守恒),可理解為組成原子核后,核內(nèi)每個(gè)核子仿佛“瘦了”一些.第三.質(zhì)量虧損并非質(zhì)量消失,而是減少的質(zhì)量m以能量形式輻射(動(dòng)質(zhì)量),因此質(zhì)量守恒定律不被破壞.有關(guān)問題的理解和注意事項(xiàng)第四.公式ΔE=Δm·c2

的單位問題P82問題與練習(xí)3.

m用“u(原子質(zhì)量單位)”

1u=1.660566×10-27kgΔE用“uc2”

1uc2=931MeV(表示1u的質(zhì)量變化相當(dāng)于931MeV的能量改變)第十頁，共十五頁，編輯于2023年，星期一第五.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(gè)數(shù)量級(jí).

有關(guān)問題的理解和注意事項(xiàng)如例題，2.19MeV的能量的絕對(duì)數(shù)量并不算大，但這只是組成1個(gè)氘核所放出的能量．如果組成的是6.02×1023個(gè)氘核時(shí)，放出的能量就十分可觀了．與之相對(duì)照的是，使1摩的碳完全燃燒放出的能量為393.5×103J．折合為每個(gè)碳原子在完全燃燒時(shí)放出的能量只不過4eV．若跟上述核反應(yīng)中每個(gè)原子可能放出的能量相比，兩者相差數(shù)十萬倍．第十一頁，共十五頁，編輯于2023年，星期一問題與練習(xí)參考答案：p821.（1）核反應(yīng)涉及四種基本力中的強(qiáng)相互作用，化學(xué)反應(yīng)涉及四種基本力是的電磁相互作用（2）核反應(yīng)改變了原子核，化學(xué)反應(yīng)可以改變核外電子的排列，從而改變分子結(jié)構(gòu)第十二頁，共十五頁，編輯于2023年，星期一問題與練習(xí)參考答案：p822.通常我們看到的物體的能量發(fā)生變化時(shí)，為什么覺察不到物體質(zhì)量的變化？根據(jù)質(zhì)能關(guān)系可知ΔE=Δm·c2。由于光速很大，我們通?？吹降奈矬w能量的變化量對(duì)應(yīng)的質(zhì)量變化量很小，因此我們覺察不到質(zhì)量變化第十三頁，共十五頁，編輯于2023年，星期一問題與練習(xí)參考答案：p823.試證明，1原子質(zhì)量單位u相當(dāng)于931.50MeV的能量．1u=1.6606×-27kg，光速c=2.9979×108m/s，1eV=1.6022×10-19J．4.1.02×105m第十四頁，共十五頁，編輯于2023年，星期一