第04节核力与结合能

1 4 4 核力与结合能核力与结合能 学案学案 高二 班 姓名 座号 教材分析 本节课选自高中物理粤教版选修 3 5 第四章第 4 节 在此之前已经学习原子核的组成 放射性和原子核的衰变 会用半衰期描述衰变速度 知道半衰期的统计意义 知道探测射 线的方法 了解放射性同位素的应用 知道射线的危害和防护 新课学习 1 核力与四种相互作用 相互作用 相互作用 相互作用 相互作用 1 核力的特点 核力是四种相互作用中的 相互作用 强力 的一种表现 在原子核尺度内 核力比 库仑力 得多 核力是短程力 约在 量级时起作用 距离大于 0 8 10 15m 时为 力 距离 小于 0 8 10 15m 时为 力 因此核子不会融合在一起 核力具有饱和性 每个核子只跟 的核子发生核力作用 这种性质称之为核力的 核力具有电荷无关性 2 弱相互作用 弱相互作用是引起原子核发生 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 其力程比强力更短 为 作用强度比电磁力 2 原子核中质子和中子的比例 轻核 原子序数小于 20 的质子数和中子数大致相等 对轻核而言 核子数量相对较 小 核子间距处于核力作用范围之内 由于核力远大于电磁力 即使质子和中子成对出现 强大的核力也可以将核子紧紧地束缚在原子核的范围之内 形成稳定的原子核 重核 原子序数大于 20 的质子数小于中子数 对于重核而言 核子数量大 核子间 距也大 由于核力的饱和性 核力会因为核子间距的变大而大幅度减小 甚至小于电磁力 2 如果质子和中子再成对出现 原子核不稳定 如果只增加中子 由于中子之间不存在库仑 力 但有相互吸引的核力 所以有助于维系原子核的 稳定 所以重核内中子数会明显大于质子数 由于核力是短程力 作用范围是有限的 以及核 力的饱和性 如果我们我们继续增大原子核 一些核 子间的距离会大到其间根本没有核力的作用 这时即 使再增加中子 形成的核也一定是不稳定的 因此只 有 200 多种稳定的原子核长久地留了下来 3 结合能 E E 与比结合能 n E E 1 结合能 E E 克服核力束缚 使原子核分解为单个核子时 的最少能量 或 若干个核子在核力的作用下结合成原子核时 的能量 2 比结合能 原子核的结合能与 之比 也叫 n E E 又叫 比结合能越大 表示原子核结合得越 原子核越 中等大小的原子核的比结合能最 原子核最 要把原子核拆散成核子 需要克服核力做巨大的功 或者需要巨大的能量 用强大的 光子 能量 照射氘核 可以使它分解为一个质子和一个中子 从实验知道只有当光 子能量等于或大于 2 22MeV 时 这个反应才会发生 相反的过程一个质子和一个中子结合成 氘核 要放出 2 22MeV 的能量 这表明要把原子核分开成核子要 能量 核子结合成原子核要 能量 这 个能量叫做原子核的结合能 问 氘核的结合能是 MeV 比结合能是 MeV 3 不同原子核的比结合能是 的 中等质量的原子核比结合能最 轻核和重 核的比结合能要 些 比结合能越大 表示原子核中核子结合得越 原子核越 因为比结合能越大 将每个核子分开所需的能量越大 例 1 氘核和氚核聚变时核反应方程为 H H He n E E 已知 H 的平均结合能是 2 13 14 21 02 1 3 1 09 MeV H 的平均结合能是 2 78 MeV He 的平均结合能是 7 03 1E 3 1 2E 4 2 3E MeV 计算核反应时释放的能量 E E 先写公式 并思考为什么 再计算 原子核的结合能很难直接测量 4 质量亏损 m 1 爱因斯坦质能方程 E mc2 一定的质量具有的总能量是一定的 物体的质量增加 则总能量增加 质量减小 则总能 量减少 课本例题 科学家研究发现 核反应前后总质量存在差异 能量 2 1 1 0 1 1 HnH 中子的质量 mn 1 6749 10 27Kg 质子的质量 mp 1 6726 10 27Kg 前 中子和质子的质量和 mn mp 3 3475 10 27Kg 后 氘核的质量 mD 3 3436 10 27Kg 前后总质量差 m 0 0039 10 27Kg 2 关于质量亏损的理解 物体的质量包括静止质量和运动质量 质量亏损指的是静止质量减少了 减少的静 止质量转化为 和辐射能量有关的 运动质量 不能说质量变成了能量 质量的单位是 kg 能量的单位是 J 在核反应中仍然遵守质量守恒定律 能量守恒定律 质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度 可用质谱仪测质量 用公式 E m c2计算核能 4 例 2 氘核和氚核聚变时核反应方程为 H H He n E E 已知 H 的质量为 2 13 14 21 02 1 m1 H 的质量为 m2 He 的质量为 m3 n 的质量为 m4 光速为 c 计算核反应时释放 3 14 21 0 的能量 E E 请看原子核的比结合能图 指出中等大小的核的比结合能最大 平均每个核子的质量亏 损 这些核最稳定 另一方面如果使较重的核分裂成中等大小的核 或者把 较小的核合并成中等大小的核 核子的比结合能