5,、,核力与结合能,一、核力与四种根本相互作用,20世纪初，人们知道自然界存在万有引力和电磁力这两种根本相互作用，你能算出一样的距离上，两质子间的电磁力是万有引力的多少倍？,质子间的电磁力是万有引力的,10,35,倍,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生疏还有哪些有待完善？,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行能的。,猜测：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。,一、核力与四种根本相互作用,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生疏还有哪些有待完善？,2.核力是短程力。作用范围在1.510-15m之内，大于0.810-15m时为吸引力,随距离增大而减小，超过1.510-15m时核力几乎消逝，小于0.810-15m时为斥力，因此核子不会融合在一起。,1.核力是四种相互作用中的强相互作用强力的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。,3.,核力具有,饱和性,。每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。,特 点,4.核力具有电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。见书本P79图,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生疏还有哪些有待完善？,小于0.810-15m时核力的变化规律还不清晰。,一、核力与四种根本相互作用,第四种根本相互作用就是弱相互作用，它有何作用？有何特点？,弱相互作用是引起原子核发生衰变的缘由,即引起中子质子转变的缘由。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为10-18m，作用强度比电磁力小。,1.万有引力：引力主要在宏观和宇观尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，预备了宇宙的现状和将来。,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，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，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，固然距离越远，力就越小,4.弱相互作用：弱相互作用是引起原子核衰变的缘由，即引起中子质子转变的缘由。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为1018m，作用强度则比电磁力小。,物理学有一条理论：叫做简洁才是美。能否将这四条理论统一起来呢？,一、核力与四种根本相互作用,一、核力与四种根本相互作用,典例探究,例1.从以下几个方面比较核反响与化学反响的一样和不同之处,1它们分别涉及四种根本相互作用的哪一种？,2每种反响分别转变了或重新安排了什么？,二、原子核中质子和中子的比例,自然界中稳定核的,质子数和中子数有何特点,？,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。,这个现象如何,解释,？,二、原子核中质子和中子的比例,可以设想，我们把质子与中子成对地放在一起，人工构建原子核，它的质子数和中子数相等。人工核越来越大，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，但核力减小得更快。所以，原子核大到确定程度时，相距较远的质子之间的核力缺乏以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了。这时，假设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力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定。由于这个缘由，稳定的重原子核里，中子数要比质子数多。,二、原子核中质子和中子的比例,不能；由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，假设我们我们连续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也确定是不稳定的。,在宇宙演化的进程中，各种粒子有时机进展各种组合，但那些不稳定的组合很快就瓦解了，只有200多种稳定的原子核长期地留了下来。,假设不断增大原子核的中子数，能不断增大原子核吗？为什么？,三、结合能,将一个质子和中子结合在一起，会产生什么现象？假设要把它们分开，需要什么条件？,宏观例子：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终撞在一起，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，假设要把它们分开，还要重新赐予它们这份能量。,概念：,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,。,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、让氢原子吸取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,结合能是原子,具有,的能量吗？如何理解结合能？,三、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,。,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。,结合能的大小与核子数有关吗？,组成原子核的,核子越多，它的结合能越高。,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坚固，原子核越稳定。由于比结合能越大，将每个核子分开所需的能量越大。,三、结合能,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坚固、原子越稳定？,四、质量亏损,物体的质量和能量有何关系？假设一个物体质量变化了m，那么它的能量变化多少？,爱因斯坦的质能方程：,Emc,2,，,能量,变化,E=mc,2,中子的质量mn=1.674910-27kg，质子的质量为mp=1.672610-27kg，氘核的质量mD=3.343610-27kg。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？,四、质量亏损,中子的质量mn=1.674910-27kg，质子的质量为mp=1.672610-27kg，氘核的质量mD=3.343610-27kg。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=(m,p,+m,n,)-,m,D,=0.003910,-27,kg；,能量减小量,:,E,=,m,c,2,=3.5110,-13,J=2.1910,6,eV；,结合能:,E,=,m,c,2,=2.19MeV；,比结合能为:,E/n,=E/2=1.10MeV。,固然，2.19MeV的能量确实定数量并不算大，但这只是组成1个氘核所放出的能量假设组成的是6.021023个氘核时，放出的能量就特殊可观了与之相比照的是，使1摩的碳完全燃烧放出的能量为393.5103J折合为每个碳原子在完全燃烧时放出的能量只不过4eV假设跟上述核反响中每个原子可能放出的能量相比，两者相差数十万倍,核反响中释放或吸取的能量比化学反响中释放或吸取的能量大好几个数量级.,四、质量亏损,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；减小的这局部能量以光子释放出去。,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；,减小的那局部质量等于光子的动质量。,什么是质量亏损？质量亏损说明什么？,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。质量亏损说明，确实存在着原子核的结合能。,如右图，哪些原子核最稳定，为什么？,中等大小的核最稳定，由于这些核的比结合能最大平均每个核子的质量亏损最大。,四、质量亏损,假设要释放结合能，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；,由于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。,原子核比结合能越大，原子核内核子平均质量越小。,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,光子具有的能量为,中子和质子结合成氘核，同时释放,光子，核反应方程,下列说法正确的是（）,为核反应中的质量亏损,ACD,四、质量亏损,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：,碳原子的摩尔质量为,M=12g/mol,，所以,一个碳原子质量,为,m=M/NA=1.99310,-26,kg,所以,1u=m/12=M/12NA=1.660610,-27,kg,代入公式,E=mc,2,得：,E=1.492410,-10,J=931MeV,得证,综合解题方略,核能的计算,