第五節(jié)核力與結(jié)合能
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1、回顧:原子核的組成回顧:原子核的組成 原子核是由質(zhì)子和中子原子核是由質(zhì)子和中子組成組成的,質(zhì)子和中子統(tǒng)的,質(zhì)子和中子統(tǒng)稱(chēng)為稱(chēng)為核子核子第五節(jié)第五節(jié) 核力與結(jié)合能核力與結(jié)合能提出問(wèn)題:提出問(wèn)題:質(zhì)子間存在著巨質(zhì)子間存在著巨大的庫(kù)侖斥力,那為什么質(zhì)大的庫(kù)侖斥力,那為什么質(zhì)子沒(méi)有被排斥開(kāi),反而還緊子沒(méi)有被排斥開(kāi),反而還緊緊的結(jié)合在一起呢?緊的結(jié)合在一起呢?猜想:猜想:萬(wàn)有引力?萬(wàn)有引力?m1410一一 核力及其性質(zhì)核力及其性質(zhì)質(zhì)子相互間距質(zhì)子相互間距r的數(shù)量級(jí)為的數(shù)量級(jí)為10-15m;質(zhì)子質(zhì)量;質(zhì)子質(zhì)量m的數(shù)量級(jí)的數(shù)量級(jí)為為10-27kg,質(zhì)子電量,質(zhì)子電量e的數(shù)量級(jí)為的數(shù)量級(jí)為10-19C;萬(wàn)有引
2、力常量;萬(wàn)有引力常量G的數(shù)量級(jí)為的數(shù)量級(jí)為10-11,靜電力常量靜電力常量k的數(shù)量級(jí)為的數(shù)量級(jí)為109。估算兩估算兩質(zhì)子間質(zhì)子間庫(kù)侖斥力庫(kù)侖斥力與與萬(wàn)有引力萬(wàn)有引力之比?之比?萬(wàn)庫(kù)FF解:解:結(jié)論:結(jié)論:原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬(wàn)有引力來(lái)原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬(wàn)有引力來(lái)抗衡相互間的庫(kù)侖斥力是不可能的??购庀嗷ラg的庫(kù)侖斥力是不可能的。再猜想:再猜想:在核子之間一定存在著第三種力,使核在核子之間一定存在著第三種力,使核子能緊密的結(jié)合在一起子能緊密的結(jié)合在一起核力核力227112199222222)10(1010(10/)GmkerGmrke36101、核子之間的強(qiáng)相互作用力叫、核子之間的強(qiáng)相互作
3、用力叫_。2、其主要特點(diǎn)、其主要特點(diǎn)_,_,_.閱讀教材,回答下列問(wèn)題:閱讀教材,回答下列問(wèn)題:1、核力、核力:核子之間存在的強(qiáng)相互作用力。核子之間存在的強(qiáng)相互作用力。2、核力的性質(zhì):、核力的性質(zhì):(1)核力是)核力是強(qiáng)相互作用強(qiáng)相互作用(強(qiáng)力)(強(qiáng)力),在原子核尺度內(nèi),核,在原子核尺度內(nèi),核力比庫(kù)侖力大得多。力比庫(kù)侖力大得多。(2)核力是)核力是短程力短程力,作用范圍在,作用范圍在1.510-15m之內(nèi)。核力之內(nèi)。核力在大于在大于0.810-15m時(shí)表現(xiàn)為吸引力,且隨距離增大而減小,時(shí)表現(xiàn)為吸引力,且隨距離增大而減小,超過(guò)超過(guò)1.510-15m ,核力急劇下降幾乎消失;而在距離小,核力急劇下
4、降幾乎消失;而在距離小于于0.810-15m時(shí),核力表現(xiàn)為斥力,因此核子不會(huì)融合在時(shí),核力表現(xiàn)為斥力,因此核子不會(huì)融合在一起。一起。(3)核力具有)核力具有飽和性飽和性,每個(gè)核子只跟鄰近的核子發(fā)生核,每個(gè)核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用。力作用。一一 核力及其性質(zhì)核力及其性質(zhì)1.1.萬(wàn)有引力:萬(wàn)有引力:引力主要在宏觀和宇宙尺度上引力主要在宏觀和宇宙尺度上“獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷”。是引力使行星繞恒星轉(zhuǎn)動(dòng),并且聯(lián)系著星系團(tuán),決定了宇是引力使行星繞恒星轉(zhuǎn)動(dòng),并且聯(lián)系著星系團(tuán),決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來(lái)。宙的現(xiàn)狀和未來(lái)。四四種種基基本本相相互互作作用用3.3.強(qiáng)相互作用:強(qiáng)相互作用:在原子核內(nèi),強(qiáng)力將核子束縛在
5、一起。在原子核內(nèi),強(qiáng)力將核子束縛在一起。2.2.電磁力:電磁力:在原子核外,電磁力使電子結(jié)合成分子,使在原子核外,電磁力使電子結(jié)合成分子,使分子結(jié)合成液體與固體。分子結(jié)合成液體與固體。電磁力和萬(wàn)有引力都是電磁力和萬(wàn)有引力都是“長(zhǎng)程力長(zhǎng)程力”,即它們可以作用到,即它們可以作用到無(wú)限遠(yuǎn)的距離,當(dāng)然距離越遠(yuǎn),力就越小無(wú)限遠(yuǎn)的距離,當(dāng)然距離越遠(yuǎn),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變衰變的原因,的原因,即引起即引起中子質(zhì)子中子質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是短程力,轉(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是短程力,其力程比強(qiáng)力更短,為其力程比強(qiáng)力更短,為10101818
6、m m,作用強(qiáng)度則比電磁力小。,作用強(qiáng)度則比電磁力小。 物理學(xué)家一直夢(mèng)想將自然界的四種相互作用納入某種統(tǒng)一物理學(xué)家一直夢(mèng)想將自然界的四種相互作用納入某種統(tǒng)一的理論中,愛(ài)因斯坦為此做了大半生的努力,但沒(méi)有成功。的理論中,愛(ài)因斯坦為此做了大半生的努力,但沒(méi)有成功。氘核)( H2 1 氦核)(He4 2 碳核)( C12 6 二、原子核中質(zhì)子和中子的比例二、原子核中質(zhì)子和中子的比例氧核)( O16 8 釷核)Th(234 90 鈾核)(23892U二、原子核中質(zhì)子和中子的比例二、原子核中質(zhì)子和中子的比例 不能不能;由于;由于核力的作用范圍是有限核力的作用范圍是有限的,的,以及以及核力的飽和性核力的飽
7、和性,如果我們繼續(xù)增大原子,如果我們繼續(xù)增大原子核,一些核子間的距離會(huì)核,一些核子間的距離會(huì)大到大到其間根本其間根本沒(méi)有沒(méi)有核力核力的作用,這時(shí)即使再增加中子,形成的的作用,這時(shí)即使再增加中子,形成的核也一定是不穩(wěn)定的。核也一定是不穩(wěn)定的。二、原子核中質(zhì)子和中子的比例二、原子核中質(zhì)子和中子的比例宏觀模型:宏觀模型:相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)物體,由于萬(wàn)有引力而相互接近,運(yùn)相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)物體,由于萬(wàn)有引力而相互接近,運(yùn)動(dòng)速度越來(lái)越大,引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能最后撞在一起,動(dòng)能變成動(dòng)速度越來(lái)越大,引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能最后撞在一起,動(dòng)能變成它們的內(nèi)能散失掉了。兩個(gè)物體為了結(jié)合而付出了代價(jià)失去它們的內(nèi)能散失掉了。兩個(gè)物體
8、為了結(jié)合而付出了代價(jià)失去了一些能量,如果要把它們分開(kāi),還要重新賦予它們這份能量。了一些能量,如果要把它們分開(kāi),還要重新賦予它們這份能量。 要將原子核拆散成單個(gè)核子,也一定需要的能量。要將原子核拆散成單個(gè)核子,也一定需要的能量。根據(jù)功能關(guān)系,理由是什么?根據(jù)功能關(guān)系,理由是什么?三、結(jié)合能三、結(jié)合能微觀模型:微觀模型:原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的,要把它們分原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的,要把它們分開(kāi),也需要能量,這就是原子核的開(kāi),也需要能量,這就是原子核的結(jié)合能結(jié)合能。 三、三、 結(jié)合能結(jié)合能結(jié)合能:結(jié)合能:將原子核拆分成單個(gè)核子需要吸收的能量將原子核拆分成單個(gè)核子需要吸收的能量
9、將單個(gè)核子結(jié)合成原子核所要放出將單個(gè)核子結(jié)合成原子核所要放出的能量的能量類(lèi)比分析:類(lèi)比分析:要使基態(tài)氫原子電離,也就是要從氫原子要使基態(tài)氫原子電離,也就是要從氫原子中把電子剝離,需要通過(guò)碰撞、照射光子中把電子剝離,需要通過(guò)碰撞、照射光子等途徑讓它得到等途徑讓它得到13.6eV 13.6eV 的能量。這個(gè)能量的能量。這個(gè)能量實(shí)際上就是電子與氫原子核的結(jié)合能,不實(shí)際上就是電子與氫原子核的結(jié)合能,不過(guò)通常把它叫做氫原子的電離能,而過(guò)通常把它叫做氫原子的電離能,而結(jié)合結(jié)合能一詞只用在原子核中能一詞只用在原子核中 三、三、 結(jié)合能結(jié)合能 -0.85n2341E(eV) -3.40 -1.510-13.6
10、0m rv 當(dāng)核子當(dāng)核子結(jié)合結(jié)合成原子核時(shí)要成原子核時(shí)要放出放出一定能量;原一定能量;原子核子核分解分解成核子時(shí),要成核子時(shí),要吸收吸收同樣的能量。這個(gè)能同樣的能量。這個(gè)能量叫做量叫做原子核的結(jié)合能原子核的結(jié)合能。 結(jié)合能并結(jié)合能并不是不是由于核子結(jié)合成原子核而由于核子結(jié)合成原子核而具有具有的能量,的能量,而是而是為把核子分開(kāi)而為把核子分開(kāi)而需要需要的能量。的能量。 組成原子核的組成原子核的核子數(shù)核子數(shù),組成原子核的,組成原子核的核子核子數(shù)越多,結(jié)合能越大。數(shù)越多,結(jié)合能越大。三三 結(jié)合能結(jié)合能如何才能反映原子核的穩(wěn)定程度?如何才能反映原子核的穩(wěn)定程度?U-235Li-6結(jié)合能越大原子核是不是
11、越難被拆散?即:結(jié)結(jié)合能越大原子核是不是越難被拆散?即:結(jié)合能的大小能不能反映原子核的穩(wěn)定程度?合能的大小能不能反映原子核的穩(wěn)定程度?三三 結(jié)合能結(jié)合能1)概念:)概念:原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比稱(chēng)做比結(jié)稱(chēng)做比結(jié)合能,合能,也叫也叫平均結(jié)合能平均結(jié)合能。2)理解:)理解:核子結(jié)合成原子核時(shí),平均每個(gè)核子核子結(jié)合成原子核時(shí),平均每個(gè)核子所釋放的結(jié)合能,它也等于把原子核拆散成每個(gè)所釋放的結(jié)合能,它也等于把原子核拆散成每個(gè)核子時(shí),外界提供給每個(gè)核子的平均能量。核子時(shí),外界提供給每個(gè)核子的平均能量。 比結(jié)合能比結(jié)合能結(jié)合能結(jié)合能核子數(shù)核子數(shù)=3)意義:)意義: 它反映了一個(gè)原
12、子核穩(wěn)定程度。比結(jié)它反映了一個(gè)原子核穩(wěn)定程度。比結(jié)合能越大,原子核越穩(wěn)定。合能越大,原子核越穩(wěn)定。如何才能反映原子核的穩(wěn)定程度?如何才能反映原子核的穩(wěn)定程度?比結(jié)合能:比結(jié)合能: (1) 物體具有的能量跟它的質(zhì)量存在著簡(jiǎn)單正比物體具有的能量跟它的質(zhì)量存在著簡(jiǎn)單正比關(guān)系關(guān)系.對(duì)質(zhì)能方程對(duì)質(zhì)能方程E=mc2的理解:的理解:質(zhì)能方程質(zhì)能方程 E=mcE=mc2 2(2)任何質(zhì)量為)任何質(zhì)量為m的物體都具有大小相當(dāng)于的物體都具有大小相當(dāng)于mc2的能量。的能量。(3)物體的質(zhì)量發(fā)生變化,相對(duì)應(yīng)的能量也會(huì))物體的質(zhì)量發(fā)生變化,相對(duì)應(yīng)的能量也會(huì)變化。變化。如何求解原子核的結(jié)合能?如何求解原子核的結(jié)合能?如何
13、求解原子核的結(jié)合能?如何求解原子核的結(jié)合能?HHn211110反應(yīng)前質(zhì)量反應(yīng)前質(zhì)量/kg反應(yīng)后質(zhì)量反應(yīng)后質(zhì)量/kgmn1.67491027m氘氘3.34361027mp1.67261027總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量3.343610273.3475 1027在物理上,原子核的質(zhì)量總是小于組成它的核子的質(zhì)量在物理上,原子核的質(zhì)量總是小于組成它的核子的質(zhì)量之和,這個(gè)現(xiàn)象叫做之和,這個(gè)現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損。質(zhì)量虧損。 如何應(yīng)用質(zhì)能方程求解如何應(yīng)用質(zhì)能方程求解原子核的結(jié)合能?原子核的結(jié)合能? 四、質(zhì)能方程四、質(zhì)能方程 E=mc2HHn211110反應(yīng)前質(zhì)量反應(yīng)前質(zhì)量/kg反應(yīng)后質(zhì)量反應(yīng)后質(zhì)量/kgmn1.67
14、491027mD3.34361027mp1.67261027總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量3.343610273.3475 1027m=(mm=(mn n+m+mp p-m-mD D)=0.0039 )=0.0039 1027kg28 272)10 (3.010 0.0039=mc =EJ131051. 3MevMev19. 210106 . 11051. 361913四、質(zhì)能方程四、質(zhì)能方程 E=mc2計(jì)算結(jié)合能時(shí),先計(jì)算計(jì)算結(jié)合能時(shí),先計(jì)算質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損m m,再帶入,再帶入質(zhì)能方程求出結(jié)合能質(zhì)能方程求出結(jié)合能2mcE2mcE計(jì)算結(jié)合能時(shí),先計(jì)算計(jì)算結(jié)合能時(shí),先計(jì)算質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損m m,在帶
15、入,在帶入質(zhì)能方程求出結(jié)合能質(zhì)能方程求出結(jié)合能計(jì)算任意核反應(yīng)中釋放計(jì)算任意核反應(yīng)中釋放的核能,先計(jì)算質(zhì)量虧的核能,先計(jì)算質(zhì)量虧損損m m,再帶入質(zhì)能方,再帶入質(zhì)能方程求出核能。程求出核能。核能核能質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損四、質(zhì)能方程四、質(zhì)能方程 E=mc2【討論與交流【討論與交流】1、質(zhì)量和能量是兩個(gè)完全不同的概念,它們表征的對(duì)象、質(zhì)量和能量是兩個(gè)完全不同的概念,它們表征的對(duì)象不同,相互之間不能轉(zhuǎn)化。不同,相互之間不能轉(zhuǎn)化。下面說(shuō)法是否正確。并說(shuō)明理由。下面說(shuō)法是否正確。并說(shuō)明理由。由質(zhì)能方程由質(zhì)能方程E=mc2,可推得,可推得E=mc2,這說(shuō)明質(zhì)量就是能這說(shuō)明質(zhì)量就是能量,質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。量,質(zhì)
16、量可以轉(zhuǎn)化為能量。2、質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量與能量的不可分割性,方程建立、質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量與能量的不可分割性,方程建立了這兩個(gè)屬性在數(shù)值上的關(guān)系,質(zhì)量虧損對(duì)應(yīng)能量釋放。了這兩個(gè)屬性在數(shù)值上的關(guān)系,質(zhì)量虧損對(duì)應(yīng)能量釋放。但決不是這兩個(gè)量相互轉(zhuǎn)化。但決不是這兩個(gè)量相互轉(zhuǎn)化。四、質(zhì)能方程四、質(zhì)能方程 E=mc2 中等大中等大小的核最小的核最穩(wěn)定穩(wěn)定,因,因?yàn)檫@些核為這些核的的比結(jié)合比結(jié)合能最大能最大(平均每平均每個(gè)核子的個(gè)核子的質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損最大最大)。)。猜想獲得核能的途徑?猜想獲得核能的途徑? 課堂小結(jié)課堂小結(jié)一、核力一、核力二、原子核中質(zhì)子數(shù)與中子的比例關(guān)系二、原子核中質(zhì)子數(shù)與中子的比例關(guān)系三
17、、結(jié)合能和比結(jié)合能三、結(jié)合能和比結(jié)合能四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損例1、碳原子質(zhì)量的1/12叫做原子質(zhì)量單位,用u表示。試證明1u相當(dāng)于931.5MeV。證明: 碳原子的摩爾質(zhì)量為碳原子的摩爾質(zhì)量為M=12g/molM=12g/mol,所以,所以一個(gè)碳一個(gè)碳原子質(zhì)量原子質(zhì)量為為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=931.5MeVJ=931.5MeV 得證得證四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損A.反應(yīng)后氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和反應(yīng)后氘核的質(zhì)量一定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量和中子的質(zhì)量和B.反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)不變,因而質(zhì)量不變反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)不變,因而質(zhì)量不變C.核子結(jié)合成核時(shí),一定釋放核能核子結(jié)合成核時(shí),一定釋放核能D.光子具有的能量為光子具有的能量為2mcm 例例2.中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核,同時(shí)釋放中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核,同時(shí)釋放光子,光子,核反應(yīng)方程是核反應(yīng)方程是 ,下列說(shuō)法正確的下列說(shuō)法正確的是(是( )為核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損102111HH+n ACD 四、質(zhì)量虧損四、質(zhì)量虧損
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