高中物理《核力與結(jié)合能》課件一（15張PPT）

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歡迎進(jìn)入物理課堂 第五節(jié)核力與結(jié)合能 物理選修3 5第十九章原子核 思考 在原子核那樣狹小的空間里 帶正電的質(zhì)子為什么能夠擠在一起而不飛散 原子核 質(zhì)子 帶正電 中子 猜想 萬有引力 理論驗(yàn)證 質(zhì)子相互間距數(shù)量級(jí)是10 15m 質(zhì)子質(zhì)量數(shù)量級(jí)10 27kg質(zhì)子量電量數(shù)量級(jí)10 19kg 萬有引力常量數(shù)量級(jí)10 11靜電力常量數(shù)量級(jí)109 結(jié)論 萬有引力太小 只有庫侖力的10 35到10 36之間 原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬有引力來抗衡相互間的庫侖力是不可能的 猜想 有第三種力 核力 是核力把核子緊緊地束縛在核內(nèi) 形成穩(wěn)定的原子核 復(fù)習(xí)鞏固 核力 能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一起的強(qiáng)大的力叫做核力 強(qiáng)相互作用 也叫強(qiáng)力 一 核力 2 核力是短程力 約在10 15m量級(jí)時(shí)起作用 距離大于0 8 10 15m時(shí)為引力 距離為10 10 15m時(shí)核力幾乎消失 距離小于0 8 10 15m時(shí)為斥力 因此核子不會(huì)融合在一起 1 核力是四種相互作用中的強(qiáng)相互作用 強(qiáng)力 的一種表現(xiàn) 在原子核尺度內(nèi) 核力比庫侖力大得多 3 核力具有飽和性 每個(gè)核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用 這種性質(zhì)稱之為核力的飽和性 4 核力具有電荷無關(guān)性 對給定的相對運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 核力與核子電荷無關(guān) 見書本P79圖 特點(diǎn) 1 萬有引力 引力主要在宏觀和宇宙尺度上 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) 決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來 四種相互作用 3 強(qiáng)相互作用 在原子核內(nèi) 強(qiáng)力將核子束縛在一起 2 電磁力 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 電磁力和萬有引力都是 長程力 即它們可以作用到無限遠(yuǎn)的距離 當(dāng)然距離越遠(yuǎn) 力就越小 4 弱相互作用 弱相互作用是引起原子核 衰變的原因 即引起中子 質(zhì)子轉(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10 18m 作用強(qiáng)度則比電磁力小 物理學(xué)有一條理論 叫做簡單才是美 能否將這四條理論統(tǒng)一起來呢 請同學(xué)們找出元素周期表 分析隨著原子序數(shù)的增大 質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)有什么關(guān)系 二 原子核中質(zhì)子與中子的比例 結(jié)論 自然界中較輕的原子核 質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等 但對于較重的原子核 中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù) 越重的元素 兩者相差越多 質(zhì)子數(shù) 中子數(shù) 理想的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)相等的穩(wěn)定原子核 實(shí)際存在的原子核 原因分析 核越大 核子間距離增大 庫侖力與核力均減少 但核力減少快 增大到一定程度時(shí) 核力較少 不足以平衡庫侖力時(shí) 原子核會(huì)不穩(wěn)定 若增加中子 與其它核子無庫侖力 但有核力 有助于原子核穩(wěn)定 核力是短程力 若超過其作用范圍 增加中子 原子核也不穩(wěn)定 所以原子序數(shù)越大越不穩(wěn)定 宏觀模型 相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)物體 由于萬有引力而相互接近 運(yùn)動(dòng)速度越來越大 引力勢能轉(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) 失去了一些能量 如果要把它們分開 還要重新賦予它們這份能量 微觀模型 原子核是核子結(jié)合在一起構(gòu)成的 要把它們分開 也需要能量 這就是原子核的結(jié)合能 模型分析 類比分析 要使基態(tài)氫原子電離 也就是要從氫原子中把電子剝離 需要通過碰撞 施加電場 賦予光子等某種途徑讓它得到13 6eV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 不過通常把它叫做氫原子的電離能 而結(jié)合能一詞只用在原子核中 由于核子間存在著強(qiáng)大的核力 所以核子結(jié)合成原子核或原子核分解為核子時(shí) 都伴隨著巨大的能量變化 可見 當(dāng)核子結(jié)合成原子核時(shí)要放出一定能量 原子核分解成核子時(shí) 要吸收同樣的能量 這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能 三 結(jié)合能 注意 結(jié)合能并不是由于核子結(jié)合成原子核而具有的能量 而是為把核子分開而需要的能量 例題 請計(jì)算一下方程左右的質(zhì)量 中子的質(zhì)量 1 6749 10 27Kg質(zhì)子的質(zhì)量 1 6726 10 27Kg中子和質(zhì)子的質(zhì)量和 3 3475 10 27Kg氘核的質(zhì)量 3 3436 10 27Kg 質(zhì)量差 0 0039 10 27Kg 四 質(zhì)量虧損 質(zhì)量虧損 愛因斯坦的質(zhì)能方程 E mc2 質(zhì)量虧損表明原子核內(nèi)的確存在著結(jié)合能 核子在結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)的質(zhì)量虧損 m 正表明它們在互相結(jié)合過程中放出了能量 E m c2 自然 原子核越大 它的結(jié)合能越高 因此 有意義的是它的結(jié)合能與核子數(shù)之比 稱作比結(jié)合能也叫平均結(jié)合能 比結(jié)合能越大 表示原子核中核子結(jié)合得越牢固 原子核越穩(wěn)定 比結(jié)合能 中等大小的核的比結(jié)合能最大 平均每個(gè)核子的質(zhì)量虧損最大 這些核最穩(wěn)定 第一 核反應(yīng)過程中 核子結(jié)合成原子核時(shí) 新核質(zhì)量小于核子的質(zhì)量 質(zhì)量虧損 同時(shí)以 光子形式釋放核能 原子核分解為核子時(shí) 需要吸收一定能量 核子的總質(zhì)量大于原原子核的質(zhì)量 第二 核反應(yīng)過程中 質(zhì)量虧損時(shí) 核子個(gè)數(shù)不虧損 即質(zhì)量數(shù)守恒 可理解為組成原子核后 核內(nèi)每個(gè)核子仿佛 瘦了 一些 第三 質(zhì)量虧損并非質(zhì)量消失 而是減少的質(zhì)量 m以能量形式輻射 動(dòng)質(zhì)量 因此質(zhì)量守恒定律不被破壞 有關(guān)問題的理解和注意事項(xiàng) 第四 公式 E m c2的單位問題P82問題與練習(xí)3 m用 u 原子質(zhì)量單位 1u 1 660566 10 27kg E用 uc2 1uc2 931MeV 表示1u的質(zhì)量變化相當(dāng)于931MeV的能量改變 第五 核反應(yīng)中釋放或吸收的能量比化學(xué)反應(yīng)中釋放或吸收的能量大好幾個(gè)數(shù)量級(jí) 有關(guān)問題的理解和注意事項(xiàng) 如例題 2 19MeV的能量的絕對數(shù)量并不算大 但這只是組成1個(gè)氘核所放出的能量 如果組成的是6 02 1023個(gè)氘核時(shí) 放出的能量就十分可觀了 與之相對照的是 使1摩的碳完全燃燒放出的能量為393 5 103J 折合為每個(gè)碳原子在完全燃燒時(shí)放出的能量只不過4eV 若跟上述核反應(yīng)中每個(gè)原子可能放出的能量相比 兩者相差數(shù)十萬倍 問題與練習(xí)參考答案 p82 1 1 核反應(yīng)涉及四種基本力中的強(qiáng)相互作用 化學(xué)反應(yīng)涉及四種基本力是的電磁相互作用 2 核反應(yīng)改變了原子核 化學(xué)反應(yīng)可以改變核外電子的排列 從而改變分子結(jié)構(gòu) 問題與練習(xí)參考答案 p82 2 通常我們看到的物體的能量發(fā)生變化時(shí) 為什么覺察不到物體質(zhì)量的變化 根據(jù)質(zhì)能關(guān)系可知 E m c2 由于光速很大 我們通常看到的物體能量的變化量對應(yīng)的質(zhì)量變化量很小 因此我們覺察不到質(zhì)量變化 問題與練習(xí)參考答案 p82 3 試證明 1原子質(zhì)量單位u相當(dāng)于931 50MeV的能量 1u 1 6606 27kg 光速c 2 9979 108m s 1eV 1 6022 10 19J 4 1 02 105m 課堂練習(xí) 碳原子的質(zhì)量是12 000000u 可以看做是由6個(gè)氫原子 質(zhì)量是1 007825u 和6個(gè)中子組成的 求核子結(jié)合成碳原子核時(shí)釋放的能量 在計(jì)算中可以用碳原子的質(zhì)量代替碳原子核的質(zhì)量 用氫原子的質(zhì)量代替質(zhì)子的質(zhì)量 因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量可以在相減過程中消去 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全