物理选修35195核力与结合能LI.ppt

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1、第十九章第十九章 原子核原子核原子核原子核质子质子（带（带正电正电）中子中子统称为统称为核子核子回顾：回顾：原子核的组成原子核的组成思考：思考：在原子核那样狭小的空间里，带正电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？的质子为什么能够挤在一起而不飞散？猜想：猜想：万有引力？万有引力？回顾：回顾：中子中子中子中子质子质子质子质子原子核示意图原子核示意图原子核示意图原子核示意图验证：验证：间距间距r 数量级数量级10-15m；质量；质量m 数量级数量级10-27kg；电量电量q 数量级数量级10-19C；引力常量；引力常量G数量级数量级10-11；静电力常量静电力常量 k

2、数量级数量级109。结论：结论：质子间的电磁力是万有引力的质子间的电磁力是万有引力的1035倍倍核子不可能靠自身万有引力抗衡库仑斥力。核子不可能靠自身万有引力抗衡库仑斥力。猜想：猜想：存在第三种力存在第三种力核力核力，是核力把核子，是核力把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。束缚在核内，形成稳定的原子核。一、核力一、核力1、定义：、定义：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核力。强大的力叫做核力。2、特点、特点（1）.核力是核力是强相互作用（强力）强相互作用（强力）的一种表现。的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。在原子核尺度内，核力比库仑力大得

3、多。（2）.核力是核力是短程力短程力。约在。约在10-15m 数量级时起作数量级时起作用，距离大于用，距离大于0.810-15m时为时为引力引力,距离为距离为1010-15m 时核力几乎消失，距离小于时核力几乎消失，距离小于 0.810-15m 时为时为斥力斥力，因此核子不会融合在一起。，因此核子不会融合在一起。（3）.核力与核力与电荷无关电荷无关。核力。核力与核子电荷无关。与核子电荷无关。（见书本（见书本P79图）图）（4）.核力具有核力具有饱和性饱和性。每个核子只跟相邻的核。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。子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。自然界中

4、较轻的原子核，质子数与中子数大致自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致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，中子数大于质数，相等，但对于较重的原子核，中子数大于质数，相等，但对于较重的原子核，中子数大于质数，相等，但对于较重的原子核，中子数大于质数，越重的元素，两者相差越多。越重的元素，两者相差越多。越重的元素，两者相差越多。越重的元素，两者相差越多。质子数质子数质子数质子数中中中中子子子子数数数数理想的质子理想的质子理想的质子理想的质子数和中子数数和中子数数和中子数数和中子数相等的稳定相等的稳定相等的稳定相等的稳定原子核原

5、子核原子核原子核实际存在实际存在实际存在实际存在的原子核的原子核的原子核的原子核原因分析：原因分析：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，不足以增大到一定程度时，核力较少，不足以增大到一定程度时，核力较少，不足以增大到一定程度时，核力较少，不足以平衡库仑力时，原子核会不稳定。平衡库仑力时，原子核会不稳定。平衡库仑力时，原子核会不稳定。平衡库仑力时，原子核会不稳定。若增加中

6、子，与其它核子无库仑力，但若增加中子，与其它核子无库仑力，但若增加中子，与其它核子无库仑力，但若增加中子，与其它核子无库仑力，但有核力，有助于原子核稳定有核力，有助于原子核稳定有核力，有助于原子核稳定有核力，有助于原子核稳定核力是短程力，若超过其作用范围，增核力是短程力，若超过其作用范围，增核力是短程力，若超过其作用范围，增核力是短程力，若超过其作用范围，增加中子，原子核也不稳定，所以原子序加中子，原子核也不稳定，所以原子序加中子，原子核也不稳定，所以原子序加中子，原子核也不稳定，所以原子序数越大越不稳定。数越大越不稳定。数越大越不稳定。数越大越不稳定。二、原子核中质子与中子的比例二、原子核中

7、质子与中子的比例 由于核子间存在着强大的核力，所以核由于核子间存在着强大的核力，所以核子子结合结合成原子核或原子核成原子核或原子核分解分解为核子时，都为核子时，都伴随着巨大的能量变化伴随着巨大的能量变化 可见，当核子结合成原子核时要放出一可见，当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量这个能量的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 自然，原子核越大，它的结合能越高。因此，有意义的是它自然，原子核越大，它的结合能越高。因此，有意义的是它自然，原子核越大，它的结合能越高。因此，有意义的是它自然，原子

8、核越大，它的结合能越高。因此，有意义的是它的结合能与核子数之比，称作的结合能与核子数之比，称作的结合能与核子数之比，称作的结合能与核子数之比，称作比结合能比结合能比结合能比结合能也叫也叫也叫也叫平均结合能平均结合能平均结合能平均结合能。比结。比结。比结。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。合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。比结合能比结合能比结合能比结合能中等大小的核的比结中等大小的核的比结中等大小的核的比结中等大小的核的比结合能最大（平均每个合能

9、最大（平均每个合能最大（平均每个合能最大（平均每个核子的质量亏损最大）核子的质量亏损最大）核子的质量亏损最大）核子的质量亏损最大），这些核最稳定。，这些核最稳定。，这些核最稳定。，这些核最稳定。从相对论得出，物体的能量和质量从相对论得出，物体的能量和质量之间存在如下密切联系。之间存在如下密切联系。四、爱因斯坦的质能方程四、爱因斯坦的质能方程表明：表明：物体具有的能量与它的质量之间物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系。存在着简单的正比关系。把组成原子核的核子的质量与原把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的质量亏损。子核的质量之差叫做核的质量亏损。核子在结合成原子核时出现质

10、量亏损，所以核子在结合成原子核时出现质量亏损，所以要放出能量，大小为：要放出能量，大小为：五五、质量亏损质量亏损中子的质量中子的质量=1.67491027Kg 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m=0.00391027Kg质量亏损质量亏损:五五、质量亏损质量亏损例题：请计算一下方程左右的例题：请计算一下方程左右的质量变化质量变化例题：请计算核反应例题：请计算核反应释放的能量释放的能量爱因斯坦的质能方程：爱因斯坦的质能方程：Emc2五、五、质量亏损质量亏损m=

11、0.00391027Kg质量亏损质量亏损:E=mc2=0.003910-27(3108)2J=3.5110-13 J又又1eV=1.6010-19 J E=2.19106 eV=2.19 MeV质量亏损表明：质量亏损表明：原子核内的确存在着结合能原子核内的确存在着结合能。核子在结合成原子核时出现的质量亏损核子在结合成原子核时出现的质量亏损m比结合能为比结合能为:中等大小的核中等大小的核中等大小的核中等大小的核的比结合能最大的比结合能最大的比结合能最大的比结合能最大（平均每个核子的（平均每个核子的（平均每个核子的（平均每个核子的质量亏损最大），质量亏损最大），质量亏损最大），质量亏损最大），这些

12、核最稳定。这些核最稳定。这些核最稳定。这些核最稳定。核子平均质量核子平均质量平均结合能平均结合能核子的平均结合能随质量数的变化核子的平均结合能随质量数的变化核子的平均结合能随质量数的变化核子的平均结合能随质量数的变化z1 1、核子结合成原子核、核子结合成原子核，新核质量，新核质量小于小于核子的核子的质量质量(质量亏损质量亏损)，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,核子的总质量核子的总质量大于大于原原子核的质量原原子核的质量.2 2、核反应过程中，质量亏损时，核反应过程中，质量亏损时，核子个数不核子个数不亏损

13、亏损(即质量数守恒即质量数守恒)，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.3 3、质量亏损并非质量消失，而是减少的质量质量亏损并非质量消失，而是减少的质量 m m以能量形式辐射以能量形式辐射(动质量动质量)，因此，因此质量守恒定质量守恒定律不被破坏。律不被破坏。有关问题的理解和注意事项有关问题的理解和注意事项4、国际单位、国际单位：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，c=2.9979108m/s，1eV=1.602210-19J E用用“m c2”，1u=931MeV (表示表

14、示1u 的质量变化相当于的质量变化相当于931MeV的能量改变的能量改变)5、核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释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放或吸收的能量大好几个数量级.m用用“kg”，c用用“m/s”，E用用“J”从以下几个方面比较核反应与化学反应的相同和不同从以下几个方面比较核反应与化学反应的相同和不同之处之处（1 1）它们分别涉及四种基本相互作用的哪一种？）它们分别涉及四种基本相互作用的哪一种？（2 2）每种反应分别改变了或重新安排了什么？）每种反应分别改变了或重新安排了什么？A.A.反应后氘核的质量一定小于反应前质子和反应后氘核的质量一定小于反

15、应前质子和中子的质量和中子的质量和B.B.反应前后质量数不变，因而质量不变反应前后质量数不变，因而质量不变C.C.核子结合成氘核时，一定释放核能核子结合成氘核时，一定释放核能D.D.光子具有的能量为光子具有的能量为 ，m m为核反应为核反应中的质量亏损中的质量亏损例例2：中子和：中子和质质子子结结合成合成氘氘核，同核，同时释时释放放光子，光子，核反核反应应方程是方程是 ,下列下列说说法正确法正确的是（的是（）ACD 例例例例3 3 3 3 碳原子质量的碳原子质量的碳原子质量的碳原子质量的 1/12 1/12 1/12 1/12 叫做原子质量单位，叫做原子质量单位，叫做原子质量单位，叫做原子质量

16、单位，用用用用u u u u 表示。试证明表示。试证明表示。试证明表示。试证明1u 1u 1u 1u 相当于相当于相当于相当于931 MeV931 MeV931 MeV931 MeV。证明：证明：碳原子的摩尔质量为碳原子的摩尔质量为M=12g/mol，所以，所以一个碳一个碳原子质量原子质量为为m=M/NA=1.99310-26kg 所以所以1u=m/12=1.660610-27kg 代入公式代入公式E=mc2得：得：E=1.492410-10J=931MeV例题例题:（原子量为（原子量为232.0372）衰变为）衰变为 （原子量为（原子量为228.0287）时，释放出）时，释放出 粒子粒子 （

17、的原子量为的原子量为4.0026）。写出衰变方程，并且计算衰）。写出衰变方程，并且计算衰变过程中释放的能量。变过程中释放的能量。解：解：衰变方程衰变方程衰变后的质量亏损衰变后的质量亏损=232.0372u(222.0287u+4.0026u)=0.0059u释放的能量释放的能量=0.0059 931.5MeV=5.5MeV问题与练习参考答案：问题与练习参考答案：P82 1.（1）核反应涉及强相互作用，化学反应涉）核反应涉及强相互作用，化学反应涉及电磁相互作用及电磁相互作用（2）核反应改变了原子核，化学反应可以改）核反应改变了原子核，化学反应可以改变核外电子的排列，从而改变分子结构变核外电子的排列，从而改变分子结构2、根据质能关系可知、根据质能关系可知E=mc2。由于光速很。由于光速很大，我们通常看到的物体能量的变化量对应的大，我们通常看到的物体能量的变化量对应的质量变化量很小，因此我们觉察不到质量变化质量变化量很小，因此我们觉察不到质量变化4.1.02105m