1、第五节第五节 核力与结合能核力与结合能思考：思考：在原子核那样狭小的空间里，带正电的质子为什么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？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
2、，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，核力，是核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。形成稳定的原子核。复习巩固复习巩固核力：核力：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力（强相互作用，也叫强力）（强相互作用，也叫强力）一、核力一、核力2.2.核力是核力是短程力短程力。约在。约在
3、1010-15-15m m量级时起作用，距离大于量级时起作用，距离大于0.80.81010-15-15m m时为时为引力引力,距离为距离为10101010-15-15m m时核力几乎消失，时核力几乎消失，距离小于距离小于0.80.81010-15-15m m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。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（强力）强相互作用（强力）的一种的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。3.3.核力具有核力具有饱和性饱和性。每个核子只跟相邻的核子发生核力作。每个核子只跟相邻的
4、核子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。用，这种性质称之为核力的饱和性。4.4.核力具有核力具有电荷无关性电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。（见书本核子电荷无关。（见书本P79P79图）图）特特 点点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”。是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，决定了宇宙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。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
5、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。结合成液体与固体。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，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小远的距离，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，为程比强力更短，为10101818m m，作用强度则比电磁力
6、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？统一起来呢？请同学们找出元素周期表，分析随着原子序数的增大，质子数请同学们找出元素周期表，分析随着原子序数的增大，质子数与中子数有什么关系？与中子数有什么关系？二、原子核中质子与中子的比例二、原子核中质子与中子的比例结论：结论：自然界中较轻的原子核，质子数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，核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多。两者相差越多。质子数质子数
7、中子数中子数理想的质子数理想的质子数和中子数相等和中子数相等的稳定原子核的稳定原子核实际存在实际存在的原子核的原子核原因分析：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。以平衡库仑力时，原子核会不稳定。若增加中子，与其它核子无库仑力，若增加中子，与其它核子无库仑力，但有核力，有助于原子核稳定但有核力，有助于原子核稳定核力是短程力，若超过其作用范围，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，所以原增加中子，原子核
8、也不稳定，所以原子序数越大越不稳定。子序数越大越不稳定。宏观模型：宏观模型：相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，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后撞在一起，动运动速度越来越大，引力势能转化为动能最后撞在一起，动能变成它们的内能散失掉了。两个物体为了结合而付出了代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，如果要把它们分开，还要重新赋予价失去了一些能量，如果要把它们分开，还要重新赋予它们这份能量。它们这份能量。微观模型：微观模型：原子核是核子结合在一起构成的，要把它们原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开分开
9、，也需要能量，这就是原子核的也需要能量，这就是原子核的结合能结合能。模型分析模型分析类比分析：类比分析：要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电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、赋予光子等某种途径让子剥离，需要通过碰撞、施加电场、赋予光子等某种途径让它得到它得到13.6eV 13.6eV 的能量。这个能量实际上就是电子与氢原子的能量。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核的结合能，不过通常把它叫做氢原子的电离能电离能，而，而结合能结合能一词只用在原子核中一词只用在原子核中。由于核子间存在着强大的核力，所以核子由于核子间存在
10、着强大的核力，所以核子结合结合成原子核成原子核或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 112011211110nHHHHn例如：可见，当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核可见，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，要吸收同样的能量这个能量分解成核子时，要吸收同样的能量这个能量叫做原子核叫做原子核的结合能的结合能三、结合能三、结合能 注意：结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能注意：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。量，而是为把核子分开而需要的能量。例题：例题：请计算一下方程左
11、右的质量请计算一下方程左右的质量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 112011nHH质量差质量差=0.00391027Kg四、质量亏损四、质量亏损质量亏损质量亏损:爱因斯坦的质能方程：爱因斯坦的质能方程：Emc2质量亏损表明原子核内的确存在着结合能。质量亏损表明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，正表明，正表明它们在互相结合过程中放出了能量它们在互相结合过程中放
12、出了能量E=mc2 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也叫平均结合能。比结也叫平均结合能。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。合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。比结合能比结合能中等大小的核的比结合能中等大小的核的比结合能最大（平均每个核子的质最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最量亏损最大），这些核最稳定。稳定。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
13、子的质量核子的质量(质量亏质量亏损损),),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.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(即质量数守即质量数守恒恒),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 m以能量形式辐以能量形式辐射射(动质量动质量),),因此因此质量守恒定律不被
14、破坏质量守恒定律不被破坏.有关问题的理解和注意事项有关问题的理解和注意事项第四第四.公式公式E=mE=mc c2 2 的单位问题的单位问题P82P82问题与练习问题与练习 3.3.m m用用“u(u(原子质量单位原子质量单位)”)”1u=1.660566 1u=1.66056610-27kg 10-27kg EE用用“uc2”uc2”1uc2=931MeV 1uc2=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)第五第五.核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释放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
15、量级或吸收的能量大好几个数量级.有关问题的理解和注意事项有关问题的理解和注意事项如例题，如例题，2.19MeV2.19MeV的能量的绝对数量并不算大，但这的能量的绝对数量并不算大，但这只是组成只是组成1 1个氘核所放出的能量如果组成的是个氘核所放出的能量如果组成的是6.026.0210102323个氘核时，放出的能量就十分可观了与个氘核时，放出的能量就十分可观了与之相对照的是，使之相对照的是，使1 1摩的碳完全燃烧放出的能量为摩的碳完全燃烧放出的能量为393.5393.510103 3J J折合为每个碳原子在完全燃烧时放出折合为每个碳原子在完全燃烧时放出的能量只不过的能量只不过4eV4eV若跟
16、上述核反应中每个原子可能若跟上述核反应中每个原子可能放出的能量相比，两者相差数十万倍放出的能量相比，两者相差数十万倍问题与练习参考答案：p82 1.（1）核反应涉及四种基本力中的强）核反应涉及四种基本力中的强相互作用，化学反应涉及四种基本力相互作用，化学反应涉及四种基本力是的电磁相互作用是的电磁相互作用（2）核反应改变了原子核，化学反应）核反应改变了原子核，化学反应可以改变核外电子的排列，从而改变可以改变核外电子的排列，从而改变分子结构分子结构问题与练习参考答案：p82 2.通常我们看到的物体的能量发生变通常我们看到的物体的能量发生变化时，为什么觉察不到物体质量的变化时，为什么觉察不到物体质量
17、的变化？化？根据质能关系可知根据质能关系可知E=mc2。由于由于 光速很大，我们通常看到的物体能量光速很大，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此我们觉察不到质量变化问题与练习参考答案：p82 3.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 4.1.02105m课堂练习课堂练习:碳原子的质量是碳原子的质量是12.000 000 u12.000 000 u，可以，可以看做是由看做是由6 6个氢原子个氢原子(质量是质量是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的质量可以在相减过程中消去)
