2017高二物理人教版选修35 195《核力与结合能》

19.5核力与结合能,人教版选修35,一、核力与四种基本相互作用,20世纪初，人们知道自然界存在万有引力和电磁力这两种基本相互作用，你能算出相同的距离上，两质子间的电磁力是万有引力的多少倍？,质子间的电磁力是万有引力的1035倍,是什么作用使质子在原子核内共存？这种作用力有哪些特点？人们对这种相互作用的认识还有哪些有待完善？,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。猜想：有第三种力-核力，是核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。,一、核力与四种基本相互作用,是什么作用使质子在原子核内共存？这种作用力有哪些特点？人们对这种相互作用的认识还有哪些有待完善？,2.核力是短程力。约在10-15m量级时起作用，距离大于0.810-15m时为引力,距离为1010-15m时核力几乎消失，距离小于0.810-15m时为斥力，因此核子不会融合在一起。,1.核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。,3.核力具有饱和性。每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。,特点,4.核力具有电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。（见书本P79图）,是什么作用使质子在原子核内共存？这种作用力有哪些特点？人们对这种相互作用的认识还有哪些有待完善？,小于0.810-15m时核力的变化规律还不清楚。,一、核力与四种基本相互作用,第四种基本相互作用就是弱相互作用，它有何作用？有何特点？,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10-8m，作用强度比电磁力弱。,1.万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，决定了宇宙的现状和未来。,四种相互作用,3.强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。,2.电磁力：在原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分子结合成液体与固体。电磁力和万有引力都是“长程力”，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小,4.弱相互作用：弱相互作用是引起原子核衰变的原因，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1018m，作用强度则比电磁力小。,物理学有一条理论：叫做简单才是美。能否将这四条理论统一起来呢？,一、核力与四种基本相互作用,一、核力与四种基本相互作用,典例探究,例1（A级）.从以下几个方面比较核反应与化学反应的相同和不同之处（1）它们分别涉及四种基本相互作用的哪一种？（2）每种反应分别改变了或重新安排了什么？,二、原子核中质子和中子的比例,稳定的轻核（原子序数小于20）的质子数和中子数有何特点？你能分析其中的原因吗？,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。,稳定的重核（原子序数大于20）的质子数和中子数有何特点？你能分析其中的原因吗？,二、原子核中质子和中子的比例,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。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。,二、原子核中质子和中子的比例,不能；由于核力的作用范围是有限的，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。,若不断增大原子核的中子数，能不断增大原子核吗？为什么？,三、结合能,将一个质子和中子结合在一起，会产生什么现象？若要把它们分开，需要什么条件？,宏观模型：相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，运动速度越来越大，引力势能转化为动能最后撞在一起，动能变成它们的内能散失掉了。两个物体为了结合而付出了代价失去了一些能量，如果要把它们分开，还要重新赋予它们这份能量。,微观模型：原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。,类比分析：要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、赋予光子等某种途径让它得到13.6eV的能量。这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能，不过通常把它叫做氢原子的电离能，而结合能一词只用在原子核中,结合能是原子具有的能量吗？如何理解结合能？,三、结合能,当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量。这个能量叫做原子核的结合能。结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把核子分开而需要的能量。,结合能的大小与什么因素有关？,组成原子核的核子数，组成原子核的核子数越多，结合能越大。,结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。因为比结合能越大，将每个核子分开所需的能量越大。,三、结合能,什么是比结合能？为什么说比结合能越大，原子核中核子结合越牢固、原子越稳定？,四、质量亏损,物体的质量和能量有何关系？若一个物体质量减小了m，那么它的能量减小多少？,爱因斯坦的质能方程：Emc2，能量减小E=mc2,已知中子的质量mn=1.674910-27kg，质子的质量为mp=1.672610-27kg，氘核的质量mD=3.343610-27kg。将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了多少？能量减小了多少？氘核的结合能是多少？比结合能是多少？,四、质量亏损,已知中子的质量mn=1.674910-27kg，质子的质量为mp=1.672610-27kg，氘核的质量mD=3.343610-27kg。将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了多少？能量减小了多少？氘核的结合能是多少？比结合能是多少？,质量减小量:m=(mp+mn)-mD=0.003910-27kg；能量减小量:E=mc2=3.5110-13J=2.19106eV；结合能:E=mc2=2.19MeV；比结合能为:E/n=E/2=1.10MeV。,四、质量亏损,将一个质子和一个中子结合成一个氘核，能量减小了，是否违反了能量守恒定律？为什么？,没有违反能量守恒定律；减小的这部分能量以光子释放出去。,将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了，是否违反了质量守恒定律？为什么？,没有违反质量守恒定律；减小的那部分质量等于光子的动质量。,什么是质量亏损？质量亏损表明什么？,四、质量亏损,原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象称为质量亏损。质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。,如右图，哪些原子核最稳定，为什么？,中等大小的核最稳定，因为这些核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大）。,四、质量亏损,若要释放结合能，我们可以怎么做？为什么？,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质量的核；因为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，核子的比结合能都会增加，即核子将发生新的质量亏损，释放新的核能。,典例探究,四、质量亏损,ACD,典例探究,四、质量亏损,例