第五节 核力与结合能

第五节核力与结合能,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？,核子靠什么力结合成原子核？,原子核的半径约为10-15m,只相当原子半径的万分之一。在这么小的空间里带正电的质子与质子间的库仑斥力是很大，万有引力太小，只有库仑力的10-36。而通常原子核是稳定的,于是核内还应有另一种力把各种核子紧紧拉在一起,此力称为核力。,核力,mp,mp,库仑力,库仑力,万有引力,万有引力,核力,核力：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力,核力具有怎样的特点呢？,1、核力：,核力有哪些特点？,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1.510-15m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）,2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？,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？,在宇宙演化的进程中，各种粒子有机会进行各种组合，但那些不稳定的组合很快就瓦解了，只有200多种稳定的原子核长久地留了下来。现在观察到的天然放射性元素，则正在瓦解之中。,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。,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,比结合能：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,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3(B级).碳原子质量的1/12叫做原子质量单位，用u表示。试证明1u相当于931MeV。,证明：碳原子的摩尔质量为M=12g/mol，所以一个碳原子质量为m=M/NA=1.99310-26kg所以1u=m/12=M/12NA=1.660610-27kg代入公式E=mc2得：E=1.492