1、19.5 19.5 核力与结合能核力与结合能第十九章第十九章 原子核原子核东海县白塔高级中学高二物理组东海县白塔高级中学高二物理组1.自然界中的四种基本相互作用力：自然界中的四种基本相互作用力：（1）引力相互作用）引力相互作用（2）电磁相互作用）电磁相互作用（3）强相互作用）强相互作用（4）弱相互作用）弱相互作用一、核力与四种基本相互作用一、核力与四种基本相互作用2.2.原子核的组成：原子核的组成： 2020世纪初，人们知道自然界存在世纪初，人们知道自然界存在和和这两种基本相互作用，你能算这两种基本相互作用，你能算出相同的距离上，两质子间的出相同的距离上，两质子间的质子间的电磁力是万有引力的质
2、子间的电磁力是万有引力的10103535倍倍原子核是由原子核是由质子和中子组成质子和中子组成的，质子和的，质子和中子统称为中子统称为核子。核子。电荷数电荷数= =质子数质子数质量数质量数= =质子数质子数+ +中子数中子数= =核子数核子数原子核中的质子要靠自身的万有引力来抗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。衡相互间的库仑力是不可能的。猜想：有第三种力猜想：有第三种力-核力，是核力把核子核力，是核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。核子靠什么力结合成原子核？核子靠什么力结合成原子核？核力核力mpmp库仑力库仑力库仑力库仑
3、力万有万有引力引力万有万有引力引力核力核力 核力有哪些特点？核力有哪些特点？1.1.核力是四种相互作用中的核力是四种相互作用中的强相互作用强相互作用（强力）的一种表现。在原子核尺度内，（强力）的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。核力比库仑力大得多。2.2.核力是短程力核力是短程力，作用范围在，作用范围在1.51.51010-15-15m m之内，距离大于之内，距离大于0.80.81010-15-15m m时为吸引力时为吸引力, ,距离距离超过超过1.51.51010-15-15m m时核力几乎消时核力几乎消失，距离小于失，距离小于0.80.81010-15-15m m时为时为斥力，
4、因此核子不会融合在一斥力，因此核子不会融合在一起。起。3. 3. 核力具有饱和性核力具有饱和性。每个核子只跟相邻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核子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。的饱和性。 4. 4. 核力具有电荷无关性核力具有电荷无关性。核力与核子电核力与核子电荷无关，相邻的质子和质子、质子和中子、荷无关，相邻的质子和质子、质子和中子、中子和中子之间都有核力作用。中子和中子之间都有核力作用。人们对核力的认识还有哪些有待完善？人们对核力的认识还有哪些有待完善？小于小于0.80.81010-15-15m m时核力的时核力的变化规律变化规律还不清还不清楚楚 除核
5、力外原子核内还存在除核力外原子核内还存在弱相互作弱相互作用（弱力）。用（弱力）。弱相互作用弱相互作用是引起原子是引起原子核发生核发生衰变的原因衰变的原因, ,即引起即引起中子中子质质子子转变的原因。弱相互作用也是转变的原因。弱相互作用也是短程短程力力，其，其力程比强力更短力程比强力更短，为，为1010-18-18m m，作，作用强度比电磁力弱。用强度比电磁力弱。 自然界中较轻的原自然界中较轻的原子核，质子数与中子核，质子数与中子数大致相等，但子数大致相等，但对于较重的原子核，对于较重的原子核，中子数大于质子数，中子数大于质子数，越重的元素，两者越重的元素，两者相差越多。相差越多。为什么会这样呢
6、？为什么会这样呢？二、原子核中质子和中子的比例二、原子核中质子和中子的比例轻核（原子序数小于轻核（原子序数小于2020）的质子数和中子）的质子数和中子数数大致相等大致相等；对轻核而言，；对轻核而言，核子数量相对核子数量相对较小较小，核子，核子间距处于核力作用范围之内间距处于核力作用范围之内，由于由于核力远大于电磁力核力远大于电磁力，即使质子和中子，即使质子和中子成对出现，强大的核力也可以将核子紧紧成对出现，强大的核力也可以将核子紧紧地束缚在原子核的范围之内，形成稳定的地束缚在原子核的范围之内，形成稳定的原子核。原子核。稳定的稳定的轻核轻核（原子序数小于（原子序数小于2020）的质子）的质子数和
7、中子数有何特点？你能分析其中的原数和中子数有何特点？你能分析其中的原因吗？因吗？ 重核（原子序数大于重核（原子序数大于2020）的质子数小于中子）的质子数小于中子数；随核子数量增大，有些核子数；随核子数量增大，有些核子间距会变大间距会变大，核，核力和电磁力都会力和电磁力都会减小减小，但是核力减小得更快，相，但是核力减小得更快，相距较远的质子间的核力不足以平衡他们之间的库距较远的质子间的核力不足以平衡他们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了。这时如果不再成仑力，这个原子核就不稳定了。这时如果不再成对增加质子和中子，而只增加中子，中子和其他对增加质子和中子，而只增加中子，中子和其他核子没有库仑斥力，
8、但有相互吸引的核力，所以核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定。由于这个原因，稳定有助于维系原子核的稳定。由于这个原因，稳定的重原子核里，中子数要比质子数多。的重原子核里，中子数要比质子数多。稳定的重核（原子序数大于稳定的重核（原子序数大于2020）的质子）的质子数和中子数有何特点？你能分析其中的原数和中子数有何特点？你能分析其中的原因吗？因吗？ 不能不能；由于；由于核力的作用范围是有限的，核力的作用范围是有限的，以以及及核力的饱和性，核力的饱和性，如果我们继续增大原子如果我们继续增大原子核，一些核子间的距离会核，一些核子间的距离会大到大到其间根本其间根本没有没有核力
9、核力的作用，这时即使再增加中子，形成的的作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。核也一定是不稳定的。若不断增大原子核的中子数，能不断增大若不断增大原子核的中子数，能不断增大原子核吗？为什么？原子核吗？为什么？ 在宇宙演化的进程中，各种粒子有机会在宇宙演化的进程中，各种粒子有机会进行各种组合，但那些不稳定的组合很快就进行各种组合，但那些不稳定的组合很快就瓦解了，只有瓦解了，只有200200多种稳定的原子核长久地留多种稳定的原子核长久地留了下来。现在观察到的天然放射性元素，则了下来。现在观察到的天然放射性元素，则正在瓦解之中。正在瓦解之中。宏观模型：宏观模型：相距很远的两个物体，由于万
10、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，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后撞在一起，动能引力势能转化为动能最后撞在一起，动能变成它们的内能散失掉了。两个物体变成它们的内能散失掉了。两个物体为了为了结合而付出了代价失去了一些能量结合而付出了代价失去了一些能量，如果要把它们分开，还要如果要把它们分开，还要重新赋予它们这重新赋予它们这份能量份能量。 将一个质子和中子结合在一起，会产生将一个质子和中子结合在一起，会产生什么现象？若要把它们分开，需要什么条什么现象？若要把它们分开，需要什么条件？件？三、结合能三、结合能微观模型：微观模型：原子核是核子结合在一
11、起原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的这就是原子核的结合能。（结合能。（p81p81） nHHHHn101121211110例如：类比分析：类比分析：要使基态氢原子电离，也要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、赋予光子等某通过碰撞、施加电场、赋予光子等某种途径让它得到种途径让它得到13.6eV 13.6eV 的能量。这个的能量。这个能量实际上就是电子与氢原子核的结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合能，不过通常把它叫做氢原子的电离
12、能，而离能，而结合能一词只用在原子核中结合能一词只用在原子核中. . 组成原子核的组成原子核的核子数核子数。组成原子核的。组成原子核的核子核子数越多，结合能越大。数越多，结合能越大。结合能是原子具有的能量吗？如何理解结结合能是原子具有的能量吗？如何理解结合能？合能？ 当核子当核子结合结合成原子核时要成原子核时要放出放出一定能量；一定能量；原子核原子核分解分解成核子时，要成核子时，要吸收吸收同样的能量。同样的能量。这个能量叫做这个能量叫做原子核的结合能原子核的结合能。结合能结合能并不是并不是由于核子结合成原子核而由于核子结合成原子核而具有具有的能量，的能量，而是为把核子分开而需要的能量。而是为把
13、核子分开而需要的能量。结合能的大小与什么因素有关？结合能的大小与什么因素有关？ 结合能与核子数之比，称做比结结合能与核子数之比，称做比结合能，合能，也叫也叫平均结合能平均结合能。比结合能。比结合能越大，越大，表示原子核中核子结合得表示原子核中核子结合得越越牢固，牢固，原子核原子核越稳定越稳定。因为比结合。因为比结合能越大，将相同数量的核子分开所能越大，将相同数量的核子分开所需的能量越大。需的能量越大。什么是什么是比结合能比结合能？为什么说？为什么说比结合能比结合能越大，越大，原子核中核子结合原子核中核子结合越牢固越牢固、原子、原子越稳定越稳定？爱因斯坦的质能方程：爱因斯坦的质能方程：E Emc
14、mc2 2，能量减小能量减小E=mcE=mc2 2四、质量亏损四、质量亏损物体的质量和能量有何关系？若物体的质量和能量有何关系？若一个物体质量减小了一个物体质量减小了m m，那么它的，那么它的能量减小多少？能量减小多少？例题：已知中子的质量例题：已知中子的质量mn=1.674910-27kg，质子的质量，质子的质量为为mp=1.672610-27kg，氘核的质，氘核的质量量mD=3.343610-27kg。将一个质。将一个质子和一个中子结合成一个氘核，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？量减小了多少？能量减小了多少？氘核的结合能是多少？比结合能是氘核的结合能是多少？比
15、结合能是多少？多少？质量减小量质量减小量: :m=( mm=( mp p+ + m mn n)- )- m mD D =0.0039=0.00391010-27-27kgkg能量减小量能量减小量: : E=E=m cm c2 2 =3.51=3.511010-13-13J J =2.19 =2.1910106 6eVeV结合能结合能: :E=E=m cm c2 2 = 2.19MeV= 2.19MeV比结合能为比结合能为: :E/nE/n = = E/2E/2 = 1.10MeV = 1.10MeV 国际单位国际单位: : m m用用“kg”kg”，C C用用“m/sm/s” ” ， EE用用
16、“J”J”没有违反没有违反能量守恒定律；能量守恒定律；减小减小的这部分的这部分能量能量以以光子释放光子释放出去。出去。 没有违反质量守恒定律；没有违反质量守恒定律；减小的减小的那部分质量等于那部分质量等于光子的动质量。光子的动质量。将一个质子和一个中子结合成一个氘核，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？能量减小了，是否违反了能量守恒定律？为什么？为什么？将一个质子和一个中子结合成一个氘核，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？质量减小了，是否违反了质量守恒定律？为什么？为什么？原子核的质量原子核的质量小于小于组成它的核子的质
17、组成它的核子的质量之和，量之和，这个现象称为质量亏损。这个现象称为质量亏损。质量亏损质量亏损表明表明: :的确的确存在着原子核的存在着原子核的结合能。结合能。什么是质量亏损？质量亏损表明什什么是质量亏损？质量亏损表明什么？么？如右图，哪些原子核最稳定，为什么？如右图，哪些原子核最稳定，为什么？中等大小的核最稳定，中等大小的核最稳定，因为这些核的比因为这些核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大）。最大）。OZABCDEFFe核子平均质量：原子核的质量核子数 使使较重的核分裂较重的核分裂成中等大小的核，或成中等大小的核，或者把者把较小的核合并较小的核合并成中
18、等质量的核；成中等质量的核； 因为使较重的核分裂成中等大小的核，因为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，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。生新的质量亏损，释放新的核能。若要释放结合能，我们可以怎么若要释放结合能，我们可以怎么做？为什么？做？为什么？A.A.反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量和子的质量和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.核子结合成核时，一定释放核能核子结合成核时
19、，一定释放核能D.D.光子具有的能量为光子具有的能量为2mcm例题（例题（B B级）级）. .中子和质子结合成氘核，同时释放中子和质子结合成氘核，同时释放光子，核反应方程光子，核反应方程下列说法正确的是（下列说法正确的是（ ）为核反应中的质量亏损为核反应中的质量亏损102111HH+n ACD 例题例题(B(B级级). ). 碳原子质量的碳原子质量的1/121/12叫做原子质叫做原子质量单位，用量单位，用u u表示。试证明表示。试证明1u1u相当于相当于931MeV931MeV。证明：证明： 碳原子的摩尔质量为碳原子的摩尔质量为M=12g/molM=12g/mol，所以一，所以一个碳原子质量为
20、个碳原子质量为m=M/NA=1.993m=M/NA=1.9931010-26-26kgkg 所以所以1u=m/12=M/12NA=1.66061u=m/12=M/12NA=1.66061010-27-27kgkg 代入公式代入公式E=mcE=mc2 2得：得： E=1.4924E=1.49241010-10-10J=931MeVJ=931MeV 3 3个个粒子结合成一个粒子结合成一个12126 6C,C,12126 6C C原子的质量是原子的质量是12.0000 u12.0000 u，4 42 2HeHe原子核的质量是原子核的质量是4.0026 u,4.0026 u,已知已知1 u=1.661
21、 u=1.661010-27-27 kg,1 u kg,1 u相当于相当于931.5 931.5 MeVMeV的能量，则的能量，则( )( )A.A.反应过程中质量亏损是反应过程中质量亏损是mm=0.007 8 u=0.007 8 uB.B.反应过程中质量亏损是反应过程中质量亏损是mm=1.29=1.291010-27-27kgkgC.C.反应过程中放出的能量是反应过程中放出的能量是7.27 7.27 MeVMeVD.D.反应过程中放出的能量是反应过程中放出的能量是1.161.161010-19-19 J J【解析解析】选选A A、C.C.质量亏损质量亏损mm=3m=3mA A-m-mC C=
22、3=34.0026 u-4.0026 u-12.0000 u=0.0078 u=1.2912.0000 u=0.0078 u=1.291010-29-29 kg kg，A A对对B B错错.E=mc.E=mc2 2=0.0078 uc=0.0078 uc2 2=0.007 8=0.007 8931.5 931.5 MeVMeV=7.27 =7.27 MeVMeV= 1.16= 1.161010-12-12 J J，C C对对D D错错. .已知氮核质量已知氮核质量m mN N=14.007 53 u=14.007 53 u，氧核质量，氧核质量m mO O=17.004 54 u=17.004
23、54 u，氦核质量，氦核质量m mHeHe=4.003 87 =4.003 87 u u，质子质量，质子质量m mH H=1.008 15 u=1.008 15 u，试判断核反，试判断核反应应14147 7N+N+4 42 2He He 17178 8O+O+1 11 1H H是吸能反应还是放是吸能反应还是放能反应？能量变化为多少？能反应？能量变化为多少？【解析解析】反应前总质量反应前总质量m mN N+m+mHeHe=18.011 40 u=18.011 40 u反应后总质量反应后总质量m mO O+m+mH H=18.012 69 u=18.012 69 u，因为反应，因为反应中质量增加，
24、所以此反应是吸能反应，所吸中质量增加，所以此反应是吸能反应，所吸能量为能量为E=mcE=mc2 2=(m=(mO O+m+mH H)-)-(m(mN N+m+mHeHe)c)c2 2=(18.012 69-18.011 40)=(18.012 69-18.011 40) 931.5 931.5 MeVMeV=1.2 =1.2 MeVMeV. .答案：答案：吸能吸能 1.2 1.2 MeVMeV质能方程的本质质能方程的本质质量或能量是物质的属性之一，决不能把物质和它们质量或能量是物质的属性之一，决不能把物质和它们的某一属性的某一属性( (质量和能量质量和能量) )等同起来；等同起来；质能方程揭示
25、了质量和能量的不可分割性，方程建立质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，方程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决不等于守恒和能量守恒，质量和能量在数值上的联系决不等于这两个量可以相互转化；这两个量可以相互转化；质量亏损不是否定了质量守恒定律质量亏损不是否定了质量守恒定律. .根据爱因斯坦的根据爱因斯坦的相对论，辐射出的相对论，辐射出的光子静质量虽然为零，但它有动质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，所以质量守量，而且这个动质量刚好等于亏损的质量，所以质量守恒
26、、能量守恒仍成立恒、能量守恒仍成立. .下列说法中正确的是下列说法中正确的是( )( )A.A.爱因斯坦质能方程反映了物体质量就是爱因斯坦质能方程反映了物体质量就是能量，它们之间可以互相转化能量，它们之间可以互相转化B.B.由由E=mcE=mc2 2可知，能量与质量之间存在着正可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所蕴含比关系，可以用物体的质量作为它所蕴含能量的量度能量的量度C.C.核反应中发现的核反应中发现的“质量亏损质量亏损”是消失的是消失的质量转化成的质量转化成的D.D.因在核反应中产生能量，有质量的转化，因在核反应中产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒和总质量并不守恒B
