核力与结合能(公开课)

2 1
2 4 1 H 1 H 2 He 0 n
目标检测
2、当氘核和氚核聚合成氦核时会释放大量能量， 设氘核的质量为m1，氚核的质量为m2，氦核的 质量为m3,中子的质量为m4,则反应过程中释放的 能量为： （ ） C
E mc
2
2 ( m m m ) c 2 3 A、 1
2 ( m m m m ) c C、 1 2 3 4
1、概念： 核力：相邻的核子之间存在的强相互作用力。 2、核力的性质 （1）核力是强相互作用力；在原子核尺度内， 核力比库仑力大得多。 （2）核力是短程力，作用范围在1.5×10-15m之 内。核力在大于0.8×10-15m时表现为吸引力， 且随距离增大而减小，在小于0.8×10-15m，核 力表现为斥力。 （3）每个核子只跟邻近的核子发生核力作用 （饱和性）。 （4） 核力具有电荷无关性。
一
核力及其性质
二、原子核中质子与中子的比例
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 重的原子核，中子数 大于质子数，越重的 元素，两者相差越多。
为什么会这样呢？
核越来越大，有些核子间的距离越来越远。随着
距离的增加，核力与电磁力都会减小，但核力减
小得更快。所以，原子核大到一定程度时，相距
3.3436×10－27
在物理上，原子核的质量总是小于组成该核的全部核子 独自存在时的总质量，这两者的差额叫做质量亏损
原子核的结合能会不会与质量 亏损有关呢？你的依据是什么？
四 质能方程 E=mc2
对质能方程理解E=mc2的理解
(1) 物体具有的能量跟它的质量存在着简单正比 关系. （2）任何质量为m的物体都具有大小相当于mc2 的能量。任何一部分能量也都与一定的质量向对 应。 （3）物体的质量发生变化，相对应的能量也会 变化。
四
1 1 1 0
质量亏损
2 1
H n H
m1 m2 m3 ΔE 根据质能方程E=mc2和能量守恒定律，推导出 γ 光子的能量(即氘核的结合能） 并总结出求结合能的方法。
m1c m2 c m3c E
2 2 2
E (m1 m2 m3 )c
2
E m c
2、质能方程揭示了质量与能量的不可分割性， 方程建立了这两个属性在数值上的关系。决不 是这两个量相互转化。
（2）关系式ΔE=Δmc2中的质量亏损表明在核反应时 质量不守恒。
四
质量亏损 E=mc2
H 0 n1 H
m2 m3
ΔE
【讨论与交流】 下面说法是否正确。并说明理由。
（2）关系式ΔE=Δmc2中的质量亏损表明在核反应时 质量不守恒。 1 1 2
物理 课室
4）规律：较轻核和较重核的核子平均结合能较小, 稳定性较差;中等质量Hale Waihona Puke 的核子平均结合能较大， 稳定性较好。
四
质量亏损 E=mc2
1 0
如何求解原子核的结合能？
n H H
1 1 2 1
反应前质量/kg
反应后质量/kg
3.3436×10－27
mn 1.6749×10－27 m氘 － 27 mp 1.6726×10 总质量 3.3475 ×10－27 总质量
第五节 核力与结合能
回顾：原子核的组成
原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统 称为核子． 15
10
m
提出问题：质子间存在着巨 大的库仑斥力，那为什么质 子没有被排斥开，反而还紧 紧的结合在一起呢？
猜想：
万有引力？
一
核力及其性质
质子相互间距r的数量级为10-15m；质子质量m的数量级 为10-27kg，质子电量e的数量级为10-19C；万有引力常量 G的数量级为10-11，静电力常量k的数量级为109。估算库 仑力与万有引力之比？
2 ( m m m ) c B、 1 2 4
2 ( m m m m ) c D、 3 4 1 2
核反应方程为：
2 1
H H He n
3 1 4 2 1 0
目标检测（拓展）
3、一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核， 同时辐射一个γ 光子。已知质子、中子、氘核的 质量分别为m1、m2、m3，普朗克常数为h，真空中 的光速为c，下列说法正确的是（ ）
1 3 H n A、核反应方程是 0 1H 1 1
B
B、聚变反应中的质量亏损Δm=m1+m2-m3 C、辐射出的γ光子的能量Δ E=（m3-m1-m2)c2 h D、 γ光子的波长 2 (m1 m2 m3 )c
F库 解： F万
2 ke2 / r 2 ke2 109 (1019） 11 2 2 2 Gm / r Gm 10 (1027 ) 2
10
36
结论：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。
再猜想：在核子之间一定存在着第三种力，使核 子能紧密的结合在一起。——核力。
E m c
核能
2
质量亏损
计算任意核反应中释放 的核能，先计算质量亏 损Δ m，在带入质能方 程求出核能。
四 质能亏损 E=mc2
【讨论与交流】 下面说法是否正确。并说明理由。
（1）由质能方程E=mc2，可推得ΔE=Δmc2,这说明质量 就是能量，质量可以转化为能量。
1、质量和能量是两个完全不同的概念，它们表征的对 象不同，相互之间不能转化。
较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑
力，这个原子核就不稳定了。这时，如果不再成
对地增加核子，而只增加中子，中子与其他核子
没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，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。
三 结合能
要将原子核拆散成单个核子，一定需要吸收巨 大的能量。
试验值： 2.22Mev 理论值： Δm=(mn+mp-m氘）=0.0039 ×10－27kg
ΔE = Δmc = 0.0039 10
2 －27
(3.0× 10 ) 3.5110
8 2
13
J
3.511013 Mev 2.19Mev 19 6 1.6 10 10
四
质能方程 E=mc2
2
计算结合能时，先计算 质量亏损Δ m，在带入 质能方程求出结合能
四
质量亏损 E=mc2
1 0
n H H
1 1 2 1
反应前质量/kg
mn 1.6749×10－27 mp 1.6726×10－27 总质量 3.3475 ×10－27
反应后质量/kg
m氘 总质量 3.3436×10－27 3.3436×10－27
比结合能
【思考】：结合能越大原子核是不是越难被拆散？ 即：结合能的大小能不能反映原子核的稳定程度？
U-235
Li-6
如何才能反映原子核的稳定程度？
三 比结合能（平均结合能）
结合能 2、比结合能： = 核子数 1）概念：原子核的结合能与核子数之比 2）理解：核子结合成原子核时，平均每个核子 所释放的结合能，它也等于把原子核拆散成每个 核子时，外界必须提供给每个核子的平均能量。 3）意义： 它反映了一个原子核稳定程度。平均 结合能越大，核越稳定。
二
结合能
H H n
2 1 1 1 1 0
1 1
H n H
1 0 2 1
当光子能量等于或 大于2.22MeV时， 这个反应才会发生
一个质子和一个中子 结合成氘核，要放出 2.22MeV的能量
结合能：将原子核拆散成单个核子需要吸收的 能量或是将核子结合成原子核所放出的能量
三
1
m1
1、质量包括静止质量和运动质量两部分组成 2、 ΔE=Δmc2中Δm可以理解为静止质量的亏损， 也可以理解为释放的能量ΔE对应的运动质量增加 3、因此质量亏损不能简单地认为质量减少，质量亏损的 本质是静止质量的亏损转化为运动质量，是质量守恒在 核反应中的客观体现
目标检测
1、联合国将2005年定为“国际物理年”，以纪 念爱因斯坦对物理学的巨大贡献。对于爱因斯 坦提出的质能方程E=mc2，下列说法中正确的 是（ ) A、 C A、E=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比 B、 E=mc2中的E表示发生核反应过程中释放的 核能 C、 根据ΔE= Δ mc2 可以计算核反应中释放的 核能 D、 Δ E= Δ mc2 表示发生的质量亏损Δ m转变成 为能量Δ E释放出来