第四节核力与结合能精选文档.ppt
第四节核力与结合能本讲稿第一页，共十八页思考：思考：在原子核那样狭小的空间里，带正在原子核那样狭小的空间里，带正电的质子为什么能够挤在一起而不飞散？电的质子为什么能够挤在一起而不飞散？原子核原子核质子（带正电）质子（带正电）中子中子猜想：猜想：万有引力？万有引力？理论验证：理论验证：质子相互间距数量级是质子相互间距数量级是1010-15-15m m；质子质量数量级；质子质量数量级1010-27-27kgkg 质子量电量数量级质子量电量数量级1010-19-19kgkg；万有引力常量数量级；万有引力常量数量级1010-11-11静电力常量数量级静电力常量数量级10109 9结论：结论：万有引力太小，只有库仑力的万有引力太小，只有库仑力的1010-35-35到到1010-36-36之间之间 。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。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：猜想：有第三种力有第三种力-核力，是核力把核子紧紧地束缚在核内，形成核力，是核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。稳定的原子核。mpmp库仑力库仑力库仑力库仑力万有万有引力引力万有万有引力引力核力核力核力核力本讲稿第二页，共十八页核力：核力：能够把核中的各种核子联系在一起的能够把核中的各种核子联系在一起的 强大的力叫做强大的力叫做核力核力核力具有怎样的特点呢？核力具有怎样的特点呢？一、核力：一、核力：本讲稿第三页，共十八页 2.核核力力是是短短程程力力。约约在在 10-15m量量级级时时起起作作用用，距距离离大大于于0.810-15m时时为为引引力力,距距离离为为1010-15m时时核核力力几几乎乎消消失失，距距离离小于小于0.810-15m时为斥力时为斥力。3.核核力力具具有有饱饱和和性性。核核子子只只对对相相邻邻的的少少数数核核子子产产生生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。4.核核力力具具有有电电荷荷无无关关性性。对对给给定定的的相相对对运运动动状状态态，核核力与核子电荷无关。力与核子电荷无关。要要真真正正了了解解核核子子间间的的相相互互作作用用还还要要考考虑虑核核子子的的组组成成物物夸克夸克的相互作用。的相互作用。1.核核力力是是四四种种相相互互作作用用中中的的强强相相互互作作用用（强强力力）的的一一种表现。种表现。核力的特点：核力的特点：本讲稿第四页，共十八页1.1.万有引力：万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领风骚独领风骚”。是引力使。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。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。四种相互作用四种相互作用3.3.强相互作用：强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。在原子核内，强力将核子束缚在一起。2.2.电磁力：电磁力：在原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分子结合成液在原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分子结合成液体与固体。体与固体。电磁力和万有引力都是电磁力和万有引力都是“长程力长程力”，即它们可以作用到无限远的距，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小离，当然距离越远，力就越小4.4.弱相互作用：弱相互作用：弱相互作用是引起原子核弱相互作用是引起原子核衰变的原因，即引起中子衰变的原因，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10101818m m，作用强度则比电磁力小。，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？本讲稿第五页，共十八页随着原子序数的增大，质子随着原子序数的增大，质子数与中子数有什么关系？数与中子数有什么关系？二、重核与轻核二、重核与轻核结论：结论：自然界中较轻的原子核，质子数与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，两者相中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多差越多。质子数质子数中中子子数数理想的质子数和中理想的质子数和中子数相等的稳定原子数相等的稳定原子核子核实际存在的实际存在的原子核原子核原因分析：原因分析：核越大，核子间距离增大核越大，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。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，有助于原子核稳定核力是短程力，若超过其作用范围，增加核力是短程力，若超过其作用范围，增加中子，原子核也不稳定，所以原子序数越中子，原子核也不稳定，所以原子序数越大越不稳定。大越不稳定。轻核：轻核：排在周期表比较靠前的元素对应的原子核。排在周期表比较靠前的元素对应的原子核。重核：重核：排在周期表比较靠后的排在周期表比较靠后的元素对应的原子核。元素对应的原子核。本讲稿第六页，共十八页 由于核子间存在着强大的核力，所以核子由于核子间存在着强大的核力，所以核子结合结合成成原子核或原子核原子核或原子核分解分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化为核子时，都伴随着巨大的能量变化 当核子结合成原子核时要放出一定能量（当核子结合成原子核时要放出一定能量（2.22Mev)；原子；原子核分解成核子时，吸收同样的能量核分解成核子时，吸收同样的能量（2.22Mev)这个能量这个能量叫做原子核的结合能叫做原子核的结合能三、结合能三、结合能本讲稿第七页，共十八页结合能结合能并不是由于核子结合成原子核而并不是由于核子结合成原子核而具有具有的能的能量，而是核子结合成原子核时所量，而是核子结合成原子核时所放出放出的能量或为把的能量或为把核子分开而核子分开而需要需要的能量。的能量。平均结合能平均结合能：结合能与核子数之比，称做为平：结合能与核子数之比，称做为平均结合能。也叫均结合能。也叫比结合能比结合能。平均结合能平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。固，原子核越稳定。三、结合能三、结合能本讲稿第八页，共十八页四、质量亏损四、质量亏损1、例题：、例题：中子的质量中子的质量 =1.674910=1.6749102727Kg Kg 质子的质量质子的质量 =1.67261027Kg 中子和质子的质量和中子和质子的质量和 =3.34751027Kg 氘核的质量氘核的质量 =3.34361027Kg 质量差质量差 =0.00391027Kg 本讲稿第九页，共十八页四、质量亏损四、质量亏损2、质量亏损：原子分解为核子时，质量增加；核子结合成、质量亏损：原子分解为核子时，质量增加；核子结合成原子核时，质量减少。原子核时，质量减少。原子核的质量小于组成原子核的原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，叫做质量亏损核子的质量之和，叫做质量亏损。1、例题：、例题：本讲稿第十页，共十八页爱因斯坦质能方程爱因斯坦质能方程 E=mc2 式中式中c是真空中的光速，是真空中的光速，m是物体的质量，是物体的质量，E是物体的能量。是物体的能量。核子核子在在结合成原子核结合成原子核时出现的时出现的质量亏损质量亏损 mm，正，正表明它们在互相结合过程中表明它们在互相结合过程中放出了能量放出了能量 E=E=mmc c2 2本讲稿第十一页，共十八页3、有关问题的理解和注意事项、有关问题的理解和注意事项第一第一.核反应过程中核反应过程中:核子结合成原子核时核子结合成原子核时,新核质量新核质量小于小于核子的质量核子的质量(质质量亏损量亏损),同时以同时以 光子形式光子形式释放核能释放核能;原子核分解为核子时原子核分解为核子时,需要需要吸收一定能量吸收一定能量,核子的总质核子的总质量量大于大于原原子核的质量原原子核的质量.第二第二.核反应过程中核反应过程中,质量亏损时质量亏损时,核子个数不亏损核子个数不亏损(即质量数即质量数守恒守恒),可理解为组成原子核后可理解为组成原子核后,核内每个核子仿佛核内每个核子仿佛“瘦了瘦了”一些一些.第三第三.质量亏损并非质量消失质量亏损并非质量消失,而是减少的质量而是减少的质量 m以能量形式以能量形式辐射辐射(动质量动质量),因此因此质量守恒定律不被破坏质量守恒定律不被破坏.本讲稿第十二页，共十八页第四第四.公式公式 E=E=mmc c2 2 的单位问题的单位问题国际单位国际单位:m用用“kg”C用用“m/s”E E用用“J J”常用单位常用单位:m用用“u(原子质量单位原子质量单位)”1u=1.66056610-27kg E E用用“ucuc2 2”1uc1uc2 2=931MeV =931MeV (表示表示1u 1u 的质量变化相当于的质量变化相当于931Me V931Me V的能量改变的能量改变)本讲稿第十三页，共十八页当然，2.22MeV的能量的绝对数量并不算大，但这只是组成1个氘核所放出的能量如果组成的是6.021023个氘核时，放出的能量就十分可观了与之相对照的是，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若跟上述核反应中每个原子可能放出的能量相比，两者相差数十万倍第五第五.核反应中释放或吸收的能量比化学反应核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释放或吸收的能量大好几个数量级中释放或吸收的能量大好几个数量级.本讲稿第十四页，共十八页本讲稿第十五页，共十八页本讲稿第十六页，共十八页课堂练习课堂练习:试证明，试证明，1原子质量单位原子质量单位u相当于相当于931.50 MeV的能量的能量1u=1.6606-27kg，光速，光速c=2.9979108m/s，1eV=1.602210-19J 碳原子的质量是碳原子的质量是12.000 000 u12.000 000 u，可以看做是由，可以看做是由6 6个氢原子个氢原子(质质量是量是1.007 825u)1.007 825u)和和6 6个中子组成的求核子结合成碳原个中子组成的求核子结合成碳原子核时释放的能量子核时释放的能量(在计算中可以用碳原子的质量代在计算中可以用碳原子的质量代替碳原子核的质量，用氢原子的质量代替质子的质量，替碳原子核的质量，用氢原子的质量代替质子的质量，因为电子的质量可以在相减过程中消去因为电子的质量可以在相减过程中消去)P82 练习练习1本讲稿第十七页，共十八页本讲稿第十八页，共十八页
