1、5 核力與結(jié)合能,原子核,質(zhì)子（帶正電）,中子 (不帶電),猜想：萬有引力？,理論驗證：質(zhì)子間距數(shù)量級為10-15m；質(zhì)子質(zhì)量數(shù)量級為10-27kg；質(zhì)子電量數(shù)量級為10-19kg；萬有引力常量數(shù)量級為10-11；靜電力常量數(shù)量級109。,結(jié)論：萬有引力太小，只有庫侖力的10-35到10-36 倍之間 。萬有引力無法抗衡庫侖力。,猜想：有第三種力存在，是這種力把核子緊緊地束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核。,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散開？,能夠把原子核中的各種核子聯(lián)系在一起的強(qiáng)大 的力，叫做核力。,一、核力,2. 核力是短程力。約在10-15m量級時起作用

2、，距離大于0.810-15m時為引力；距離小于0.810-15m時為斥力，因此核子不會融合在一起；距離為1010-15m時核力幾乎消失。,1.核力是四種相互作用中的強(qiáng)相互作用的一種 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，即每個核子只跟相鄰的核子 發(fā)生核力作用。,特 點,4. 核力與電荷無關(guān)，它存在于質(zhì)子、質(zhì)子間， 中子、中子間，質(zhì)子、中子間。,1.萬有引力：引力主要在宏觀和宇宙尺度上“獨領(lǐng)風(fēng)騷”。是引力使行星繞恒星轉(zhuǎn)動，并且聯(lián)系著星系團(tuán)，決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來。,二、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

3、電子結(jié)合成分子，使分子結(jié)合成液體與固體。,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1018m，作用強(qiáng)度則比電磁力小。,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，距離越遠(yuǎn)，力就越小。,三、原子核中質(zhì)子與中子的比例,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。,原因分析：,核越大，有些核子間的距離增大，庫侖力與核力均減少，但核力減少得更快。當(dāng)核子間距離增大到一定程度時，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力不足以平衡庫侖斥力，原子核就會不穩(wěn)定。若只增加

4、中子，中子與其它核子無庫侖斥力，但有相互吸引的核力，有助于維系原子核的穩(wěn)定。所以穩(wěn)定的重原子核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。,宏觀模型：相距很遠(yuǎn)的兩個物體，由于萬有引力而相互接近，運動速度越來越大，引力勢能轉(zhuǎn)化為動能最后撞在一起，動能變成它們的內(nèi)能散失掉了。兩個物體為了結(jié)合而付出了代價失去了一些能量，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。,四、結(jié)合能,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。這個能量實際上就是電子與

5、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，都伴隨著巨大的能量變化。,當(dāng)核子結(jié)合成原子核時要放出一定能量；原子核分解成核子時，要吸收同樣的能量。這個能量叫做原子核的結(jié)合能。,結(jié)合能并不是由于核子結(jié)合成原子核而具有的 能量，而是核子結(jié)合成原子核時所放出的能量， 或是把核子分開時所需要的能量。,質(zhì)量差 = 0.00391027Kg,五、質(zhì)量虧損,愛因斯坦的質(zhì)能方程：Emc2,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)合成原子核時出現(xiàn)的質(zhì)量虧損m，表明核子在互相結(jié)合過程中放出了能量：E=m

6、c2,中子的質(zhì)量 =1.67491027Kg ；質(zhì)子的質(zhì)量 = 1.67261027Kg ； 氘核的質(zhì)量 = 3.34361027Kg 。,中子和質(zhì)子的質(zhì)量和 = 3.34751027Kg,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。,六、比結(jié)合能,中等大小的核的比結(jié)合能最大（平均每個核子的質(zhì)量虧損最大）。,核子結(jié)合成原子核時,新核質(zhì)量小于核子的質(zhì)量(質(zhì)量虧損),同時以光子形式釋放核能；原子核分解為核子時,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。,核反應(yīng)過程中,質(zhì)量虧損時,

7、核子個數(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)每個核子仿佛“瘦了”一些。,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(動質(zhì)量),因此質(zhì)量守恒定律不被破壞。不能說成質(zhì)量轉(zhuǎn)變成了能量。,有關(guān)問題的理解和注意事項,公式E=mc2 的單位問題 1u=1.66056610-27kg ；E用“uc2” 1uc2=931MeV (表示1u 的質(zhì)量變化相當(dāng)于931MeV的能量改變),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數(shù)量級。,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個氘核所放出的能量。如果組成的是6.021023個氘核時，放出的能量就十分可

8、觀了。與之相對照的是，使1摩爾的碳完全燃燒放出的能量為393.5103J。折合為每個碳原子在完全燃燒時放出的能量只不過4eV。若跟上述核反應(yīng)中每個核子放出的能量（比結(jié)合能）相比，兩者相差數(shù)十萬倍。,例題1、 （原子量為232.0372）衰變?yōu)?（原子量為228.0287）時，釋放出粒子 （ 的原子量為4.0026）。寫出衰變方程，并且計算衰變過程中釋放的能量。,解：,衰變方程,衰變后的質(zhì)量虧損,=232.0372u(222.0287u+4.0026u)= 0.0059u,釋放的能量,= 0.0059931.5MeV=5.5MeV,例題2、原來靜止的原子核 衰變后 放出粒子的動能為 ，假設(shè)衰變時 產(chǎn)生的能量全部以動能的形式釋放出來，求原子核 衰變前后的質(zhì)量虧損。,練習(xí)、已知一個中子的質(zhì)量為mn，一個質(zhì)子的質(zhì)量為mP