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1、5 核力与结合能,一、核力与四种基本相互作用 1.核力 (1)定义:原子核里的核子间的相互作用力。 (2)作用:把核子紧紧地束缚在核内,形成稳定的原子核。 2.核力的特点 (1)核力是强相互作用的一种表现,在原子核的尺度内,核力比库仑力大得多。 (2)核力是短程力,作用范围在1.510-15m之内。核力在大于0.810-15 m,小于1.510-15 m的范围内表现为吸引力,在小于0.810-15 m时表现为斥力。 (3)每个核子只跟邻近的核子发生核力作用,这种性质称为核力的饱和性。,3.第四种相互作用 核物理学家在原子核内发现了自然界的第四种相互作用弱相互作用,弱相互作用是引起原子核衰变的原

2、因。该作用也是短程力,其力程比强力更短,为10-18m,作用强度比电磁力小。 4.四种基本相互作用 四种基本相互作用包括万有引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用,在相同距离上,电磁力大约比万有引力强1035倍。,二、原子核中质子与中子的比例 1.较轻原子核:质子数和中子数大致相等。 2.较重原子核:中子数大于质子数,越重的原子核两者相差越多。 三、结合能与质量亏损 1.结合能 原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开,也需要能量,这就是原子核的结合能。 2.比结合能 原子核的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。中

3、等大小的核的比结合能最大,最稳定。 3.质能方程 物体的能量与它们质量的关系是:E=mc2。 4.质量亏损 原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。,自我检测 1.思考辨析。 (1)核力是短程力,作用范围很小,只在邻近核子间存在。 ( ) 解析:核力作用的范围在10-15 m之内,只在邻近核子间存在,是短程力。 答案: (2)结合能越大的原子核越稳定。 ( ) 解析:对于核子较多的原子核的结合能越大,但它的比结合能不一定大,比结合能的大小反映了原子核的稳定性。 答案:,(3)原子核中的质子数和中子数大致相等。 ( ) 解析:由于核力是短程力及核力的饱和性,自然界中较轻的原子核,质子数与中

4、子数大致相等,但较重的原子核,中子数大于质子数,越重的原子核,两者相差越多。 答案: (4)核力是强相互作用,在任何情况下都比库仑力大。 ( ) 解析:核力是强相互作用力,在原子核的尺度内核力比库仑力大很多。 答案: (5)原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量。 ( ) 解析:原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开需要能量,这就是结合能。 答案:,2.探究讨论。 (1)原子核内有质子和中子,质子带正电,中子不带电。原子核为什么不会在质子间库仑斥力的作用下分散为一个一个的核子呢? 答案:核子间(质子与质子、中子与中子、质子与中子)存在着一种比库仑力大得多的核力。,(2)较重

5、的原子核中中子数和质子数有什么关系?如何解释?原子核可以无限地增大吗? 答案:较重的原子核中中子数大于质子数,而且越重的原子核,两者相差越多。 由于原子核是短程力,原子核大到一定程度时,相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力,原子核就不稳定了。这时,不再成对地增加质子和中子,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,所以有助于维系原子核的稳定,故较重的原子核内中子数多于质子数。 稳定的重原子核里,中子数要比质子数多,由于核力作用范围有限,以及核力的饱和性,如果继续增大原子核,一些核子间距离会大到其间根本没有核力作用,这时即使再增加中子,形成的核也一定是不稳定的,所

6、以原子核不能无限地增大。,探究一,探究二,结合能 问题探究 1.我们使用的煤炭、天然气、石油蕴含的能量都来自于太阳。植物通过光合作用吸收来自太阳的能量,并将其变成自身的一部分;动物通过食用食物,间接获得来自太阳的能量那么太阳释放出巨大的能量又来自于哪里呢? 要点提示:太阳是一个每时每刻都在发生着剧烈核反应的星球,太阳释放出巨大的能量是由核反应提供的,地球上的能量都来源于太阳。,探究一,探究二,2.纵观历史,每一次能源利用的里程碑式发展,都伴随社会和生产的巨大飞跃;火的使用,使远古人类茹毛饮血的年代一去不返;18世纪蒸汽机的发明,导致了第一次工业革命;19世纪电能的使用,再一次改变了人们的生活,

7、进入20世纪以后,全世界对能源的需求急剧上升,能源问题日趋严峻。煤、石油、天然气等化石燃料逐渐枯竭,因此寻找可持续的替代资源显得尤为急迫。目前,核能已成为新能源家族的重要一员。神秘的核能从何而来? 要点提示:原子核的核子之间存在着巨大的核力,使小小的原子核蕴藏巨大的能量。当核反应发生时,由于不同的原子核的平均结合能不同,要吸收或者放出大量的能量,在有质量亏损的核反应中,亏损的质量体现为辐射能量。,探究一,探究二,知识归纳 1.比结合能曲线 不同原子核的比结合能随质量数变化的图线如图所示。从图中可看出,中等质量原子核的比结合能最大,轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小。,探究一,探究二,

8、2.比结合能与原子核稳定的关系 (1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度,比结合能越大,原子核就越难拆开,表示该原子核就越稳定。 (2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核,比结合能都比较小,表示原子核不太稳定;中等核子数的原子核,比结合能较大,表示原子核较稳定。 (3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时,就可能释放核能。例如,一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核,或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核,都能释放出巨大的核能。由于核力作用范围有限,以及核力的饱和性,原子核不能无限地增大。,探究一,探究二,典例剖析 【例题1】下面关于结合能和比结合能的说法

9、正确的有( ) A.核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能 B.比结合能越大的原子核越稳定,因此它的结合能也一定越大 C.重核与中等质量原子核相比较,重核的结合能和比结合能都大 D.中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大 【思考问题】 比结合能与原子核稳定的关系是什么? 提示:核子数较小的轻核与核子数较大的重核,比结合能都比较小,表示原子核不太稳定;中等核子数的原子核,比结合能较大,表示原子核较稳定。,探究一,探究二,解析:核子结合成原子核时放出能量,原子核拆解成核子时吸收能量,A选项错;比结合能越大的原子核越稳定,但比结合能越大的原子核,其结合能不一定大,例

10、如中等质量原子核的比结合能比重核大,但由于核子数比重核少,其结合能比重核反而小,B、C选项错;中等质量原子核的比结合能比轻核的大,它的原子核内核子数又比轻核多,因此它的结合能也比轻核大,D选项对。 答案:D 规律总结结合能的应用技巧 (1)组成原子核的核子越多,结合能越高。 (2)结合能与核子个数之比称作比结合能,比结合能越大原子核越稳定。 (3)结合能通常只用在原子核中。,探究一,探究二,变式训练1下图是不同原子核的比结合能随质量数变化的曲线。(1)从图中看出,中等质量的原子核与重核、轻核相比比结合能有什么特点?比结合能的大小反映了什么? (2)比结合能较小的原子核转化为比结合能较大的原子核

11、时是吸收能量还是放出能量? 答案:(1)中等质量的原子核比结合能较大,比结合能的大小反映了原子核的稳定性,比结合能越大,原子核越稳定。 (2)放出能量。,探究一,探究二,质量亏损 问题探究 爱因斯坦狭义相对论中的质能方程给出了核能的计算方法。思考: (1)核反应中质量亏损与质量守恒矛盾吗? (2)核子结合成原子核时为何出现“质量亏损”? 要点提示:(1)不矛盾。核反应仍遵守质量守恒和能量守恒的规律。核反应中的质量亏损,并不是这部分质量消失或质量转变为能量。物体的质量应包括静止质量和运动质量,质量亏损是静止质量的减少,减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量。 (2)独立的核子之间没有作用

12、力,但若使核子结合为原子核,核子之间需接近到核力作用的范围。在核力的作用下结合为一体,核力做正功,能量减少,即释放出能量,由E=mc2知质量发生亏损。,探究一,探究二,知识归纳 1.对质量亏损的理解 (1)质量亏损,并不是质量消失,减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了。反过来,把原子核分裂成核子,总质量要增加,总能量也要增加,增加的能量要由外部供给。 (2)质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来。 (3)m是核反应前与核反应后的质量之差。,探究一,探究二,2.对质能方程E=mc2本质的理解 爱因斯坦质能方程反映的是质量亏损和核能这两种现象之间的联系,并不表示质量和能量之间的

13、转变关系。对于质量亏损,不能理解为质量变成了能量,质能方程的本质是: (1)质量或能量是物质的属性之一,绝不能把物质和它们的某一属性(质量和能量)等同起来。 (2)质能方程揭示了质量和能量的不可分割性,建立了这两个属性在数值上的关系,这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒,质量和能量在数值上的联系绝不等于这两个量可以相互转化。 (3)质量亏损不是否定了质量守恒定律。根据爱因斯坦的相对论,辐射出的光子静质量虽然为零,但它有动质量,而且这个动质量刚好等于亏损的质量,所以质量守恒、能量守恒仍成立。,探究一,探究二,3.核反应中由于质量亏损而释放的能量E=mc2 从爱因斯坦质能方程同样可以得出,物体的能量

14、变化E与物体的质量变化m的关系:E=mc2。 4.判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法 根据反应前后质量的变化情况进行判断,若质量减少即发生了质量亏损,则释放能量;若质量增加,则吸收能量。,探究一,探究二,5.核能的计算方法 (1)根据质量亏损计算 根据核反应方程,计算核反应前和核反应后的质量亏损m。 根据爱因斯坦质能方程E=mc2计算核能。其中m的单位是千克,E的单位是焦耳。 (2)根据能量守恒和动量守恒来计算核能 参与核反应的粒子所组成的系统,在核反应过程中的动量和能量是守恒的,因此,利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化。 (3)利用平均结合能来计算核能 原子核的结合能=核子的平均

15、结合能核子数,核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差,就是该核反应所释放(或吸收)的核能。,探究一,探究二,质量亏损不是核子个数的减少,核反应中核子个数是不变的。,探究一,探究二,解析:聚变反应前氘核和氚核的总结合能 E1=(1.092+2.783) MeV=10.52 MeV。 反应后生成的氦核的结合能 E2=7.034 MeV=28.12 MeV。 由于单个核子无结合能,所以聚变过程释放出的能量为 E=E2-E1=(28.12-10.52) MeV=17.6 MeV。 答案:17.6,探究一,探究二,规律总结核能的两种单位换算 核能的单位分别为“J”和

16、“MeV”,有 1 MeV=11061.610-19 J=1.610-13 J,探究一,探究二,1,2,3,4,1.(多选)关于核力,下列说法中正确的是( ) A.核力是一种特殊的万有引力 B.原子核内任意两个核子间都有核力作用 C.核力是原子核能稳定存在的原因 D.核力是一种短程强作用力 解析:核力不是万有引力,是一种强相互作用的短程力,并且只发生在相邻的核子间,有助于维系原子核的稳定,故选项A、B错误,选项C、D正确。 答案:CD,1,2,3,4,2.(多选)关于原子核的结合能,下列说法正确的是( ) A.原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量 B.一重原子核衰变成粒子和另

17、一原子核,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能,D.比结合能越大,原子核越不稳定 E.自由核子组成原子核时,其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能,1,2,3,4,解析:结合能是把核子分开所需的最小能量,选项A正确;一重原子核衰变成粒子和另一原子核,存在质量亏损,核子比结合能增大,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能,选项B正确;核子数越多,结合能越大,选项C正确;比结合能也叫平均结合能,比结合能越大,分开核子所需的能量越大,原子核越稳定,选项D错误;自由核子组成原子核时,其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能,选项E错误。 答案:ABC,1,2,3,4,3.质子、中子

18、和氘核的质量分别为m1、m2和m3。当一个质子和一个中子结合成氘核时,释放的能量是(c表示真空中的光速)( ) A.(m1+m2-m3)c B.(m1-m2-m3)c C.(m1+m2-m3)c2 D.(m1-m2-m3)c2 解析:由质能方程E=mc2,其中m=m1+m2-m3 可得E=(m1+m2-m3)c2,选项C正确。 答案:C,1,2,3,4,解析:反应前总质量:MN+MHe=18.011 40u, 反应后总质量:MO+MH=18.012 69 u。 可以看出:反应后总质量增加,故该反应是吸收能量的反应。 故E=(18.012 69-18.011 40)931.5 MeV1.2 MeV。 答案:吸收能量 1.2 MeV,