核力与结合能(公开课)

1、第四节第四节 核力与结合能核力与结合能目标：目标：1、知道核力的概念及其性质。、知道核力的概念及其性质。2、认识原子核的结合能、认识原子核的结合能3、了解平均结合能。、了解平均结合能。4、会利用质能方程求解结合能。、会利用质能方程求解结合能。回顾：原子核的组成回顾：原子核的组成 原子核是由原子核是由质子质子和和中子中子组成的，组成的，质子质子和和中子中子统统称为称为核子核子第四节第四节 核力与结合能核力与结合能提出问题：提出问题：质子间存在着巨质子间存在着巨大的库伦斥力，那为什么质大的库伦斥力，那为什么质子没有被排斥开，反而还紧子没有被排斥开，反而还紧紧的结合在一起呢？紧的结合在一起呢？猜想：

2、猜想：万有引力？万有引力？m1410一一 核力及其性质核力及其性质质子相互间距质子相互间距r的数量级为的数量级为10-15m；质子质量；质子质量m的数量级的数量级为为10-27kg，质子电量，质子电量e的数量级为的数量级为10-19C；万有引力常量；万有引力常量G的数量级为的数量级为10-11，静电力常量静电力常量k的数量级为的数量级为109。估算估算库库仑力与万有引力之比？仑力与万有引力之比？万库FF 解解 ：3610结论：结论：原子核中的质子要靠自身的万有引力来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。抗衡相互间的库仑力是不可能的。再猜想：再猜想：在核子之间一定存在着

3、第三种力，使核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。子能紧密的结合在一起。核力。核力。227112199222222)10(1010(10/）GmkerGmrke能够把原子核中的各种核子联系在一起的强大能够把原子核中的各种核子联系在一起的强大 的力，叫做的力，叫做核力核力。一、核力一、核力2. 核力是短程力。约在核力是短程力。约在10-15m量级时起作用，距离量级时起作用，距离大于大于0.810-15m时为引力；距离小于时为引力；距离小于0.810-15m时时为斥力，因此核子不会融合在一起；为斥力，因此核子不会融合在一起； 距离为距离为1010-15m时核力几乎消失。时核力几

4、乎消失。1. .核力是四种相互作用中的强相互作用的一种核力是四种相互作用中的强相互作用的一种 表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。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，即每个核子只跟相邻的核子核力具有饱和性，即每个核子只跟相邻的核子 发生核力作用。发生核力作用。 特特 点点4. 核力与电荷无关，核力与电荷无关，它存在于质子、质子间，它存在于质子、质子间， 中子、中子间，质子、中子间。中子、中子间，质子、中子间。1.1.万有引力：万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领独领风骚风骚”。是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星。是引力使行星绕

5、恒星转动，并且联系着星系团，决定了宇宙的现状和未来。系团，决定了宇宙的现状和未来。二、四种相互作用二、四种相互作用3.3.强相互作用：强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在在原子核内，强力将核子束缚在 一起。一起。2.2.电磁力：电磁力：在原子核外，电磁力使电子结合成分子，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。使分子结合成液体与固体。4.4.弱相互作用：弱相互作用：弱相互作用是引起原子核弱相互作用是引起原子核 衰变的原衰变的原因，即引起中子质子转变的原因。弱相互作用也是因，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，为短程力，其力程比强力更短，为1

6、0 18m，作用强度则，作用强度则比电磁力小。比电磁力小。电磁力和万有引力都是电磁力和万有引力都是“长程力长程力”，即它们可以，即它们可以作用到无限远的距离，距离越远，力就越小。作用到无限远的距离，距离越远，力就越小。二二 结合能结合能要将原子核拆散成单个核子，一定需要吸收巨要将原子核拆散成单个核子，一定需要吸收巨大的能量。大的能量。根据功能关系，理由是什么？根据功能关系，理由是什么？二二 结合能结合能nHH101121HnH211011当光子能量等于或当光子能量等于或大于大于2.22MeV时，时，这个反应才会发生这个反应才会发生 一个质子和一个中子一个质子和一个中子结合成氘核，要放出结合成氘

7、核，要放出2.22MeV的能量的能量 结合能：结合能：将原子核拆散成将原子核拆散成单个核子单个核子需要吸收的需要吸收的能量能量比结合能比结合能：结合能与核子数之比：结合能与核子数之比 比结合能比结合能 比结合能越大，表示原子核中核子比结合能越大，表示原子核中核子 结合得越牢固，原子核越稳定。结合得越牢固，原子核越稳定。比结合能比结合能1）概念：）概念：原子核的结合能与核子数之比原子核的结合能与核子数之比2）意义：）意义：它反映了一个原子核稳定程度。平均结合能它反映了一个原子核稳定程度。平均结合能越大，核越稳定。越大，核越稳定。3）规律：较轻核和较重核的核子）规律：较轻核和较重核的核子平均结合能

8、较小平均结合能较小,稳定性稳定性较差较差;中等质量核的核子中等质量核的核子平均结合能较大，稳定性较好。平均结合能较大，稳定性较好。 2、比结合能：、比结合能：结合能结合能核子数核子数=如何求解原子核的结合能？如何求解原子核的结合能？HHn211110反应前质量反应前质量/kg反应后质量反应后质量/kgmn1.67491027m氘氘3.34361027mp1.67261027总质量总质量总质量总质量3.343610273.3475 1027 在物理上，反应后原子核的质量在物理上，反应后原子核的质量小于小于组成该核的组成该核的全部核子独自存在时的全部核子独自存在时的总质量总质量，这两者的差额叫做，

9、这两者的差额叫做质量质量亏损亏损 原子核的结合能会不会与质量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？亏损有关呢？你的依据是什么？ 三三 质能方程质能方程 E=mcE=mc2 2 (1) 物体具有的能量跟它的质量存在着简单正比物体具有的能量跟它的质量存在着简单正比关系关系.对质能方程理解对质能方程理解E=mc2的理解的理解三三 质能方程质能方程 E=mcE=mc2 2（2）任何质量为）任何质量为m的物体都具有大小相当于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的能量。任何一部分能量也都与一定的质量向对应。应。（3）物体的质量发生变化，相对应的能量也会）

10、物体的质量发生变化，相对应的能量也会变化。变化。HnH211011232232221)(1cmmmEEcmcmcmm1m2m3根据质能方程根据质能方程E=mc2和和能量守恒定律能量守恒定律，推导出，推导出光子的能量光子的能量( (即氘核的结合能）即氘核的结合能）并总结出求结合能的方法。并总结出求结合能的方法。2mcE计算结合能时，先计算计算结合能时，先计算质量亏损质量亏损mm，在带入，在带入质能方程求出结合能质能方程求出结合能三三 质能方程质能方程 E=mcE=mc2 2EE三三 质能方程质能方程 E=mcE=mc2 2HHn211110反应前质量反应前质量/kg反应后质量反应后质量/kgmn

11、1.67491027m氘氘3.34361027mp1.67261027总质量总质量总质量总质量3.343610273.3475 1027理论值：理论值：m=(mn+mp-m氘）=0.0039 1027kg28 272)10 (3.010 0.0039=mc =EJ131051. 3试验值：试验值：MevMev19. 210106 . 11051. 3619132.22Mev2mcE计算结合能时，先计算计算结合能时，先计算质量亏损质量亏损mm，在带入，在带入质能方程求出结合能质能方程求出结合能计算任意核反应中释放计算任意核反应中释放的核能，先计算质量亏的核能，先计算质量亏损损mm，在带入质能方，

12、在带入质能方程求出核能。程求出核能。核能核能质量亏损质量亏损三三 质能方程质能方程 E=mcE=mc2 2三三 质能方程质能方程 E=mcE=mc2 21、质量和能量是两个完全不同的概念，它们表征的对、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。象不同，相互之间不能转化。下面说法是否正确。并说明理由。下面说法是否正确。并说明理由。（1）由质能方程）由质能方程E=mc2，可推得，可推得E=mc2,这说明质量这说明质量就是能量，质量可以转化为能量。就是能量，质量可以转化为能量。2、质能方程揭示了质量与能量的不可分割性，、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

13、个属性在数值上的关系。决不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。是这两个量相互转化。三三 质能方程质能方程 E=mcE=mc2 2【讨论与交流】【讨论与交流】下面说法是否正确。并说明理由。下面说法是否正确。并说明理由。（2）关系式）关系式E=mc2中的质量亏损表明在核反应时中的质量亏损表明在核反应时质量不守恒。质量不守恒。1、质量包括、质量包括静止质量和运动质量静止质量和运动质量两部分组成两部分组成2、 E=mc2中中m可以理解为静止质量的亏损，可以理解为静止质量的亏损， 也可以理解为释放的能量也可以理解为释放的能量E对应的运动质量增加对应的运动质量增加3、因此质量亏损不

14、能简单地认为质量减少，质量亏损的、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核反应中的客观体现HnH211011m1m2m3EE(1)试证明，试证明，1原子质量单位原子质量单位u相当于相当于931.50 MeV的能的能量量1u=1.660610-27kg，光速，光速c=2.9979108m/s，1eV=1.602210-19J证明证明：由爱因斯坦质能方程由爱因斯坦质能方程 E=mc2 得得1u对应能量为对应能量为E=mc2= 1.660610-27(2.9979108) 2J=

15、 1.4924 10-10 J= (1.4924 10-10 /1.602210-19)eV= 931.50 106 eV= 931.50 MeV中释放出多少能量？并求出一个铀衰变过程）。写出核反应方程，的原子量为（粒子）时，释放出（原子量为）衰变为（原子量为0026. 40287.2280372.232. 3422289023592HeThU 公式公式 E=E= mm c c2 2 的单位问题的单位问题国际单位国际单位: m用用“kg” C用用“m/s” E E用用“ “J”J”常用单位常用单位: m用用“u(原子质量单位原子质量单位)” 1u=1.66056610-27kg 1u1u相当于

16、相当于931MeV 931MeV 例：例： m=0.0042u E=0.0042 931MeV =3.9102MeV ( (表示表示1u 1u 的质量变化相当于的质量变化相当于931MeV931MeV的能量改变的能量改变) ) 目标检测目标检测1、关于核力的说法正确的是、关于核力的说法正确的是 （ ）A、核力存在于任何核子之间、核力存在于任何核子之间B、核力只存在于相邻的核子之间、核力只存在于相邻的核子之间C、核力与万有引力性质相同、核力与万有引力性质相同D、核力是一种短程的强作用力、核力是一种短程的强作用力B、D考查点：核力的性质考查点：核力的性质 目标检测目标检测2、联合国将、联合国将20

17、05年定为年定为“国际物理年国际物理年”，以纪，以纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献。对于爱因斯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坦提出的质能方程E=mc2，下列说法中正确的，下列说法中正确的是（是（ )A、E=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比表明物体具有的能量与其质量成正比B、 E=mc2中的中的E表示发生核反应过程中释放的表示发生核反应过程中释放的核能核能C、 根据根据E= mc2 可以计算核反应中释放的可以计算核反应中释放的核能核能D、 E= mc2 表示发生的质量亏损表示发生的质量亏损 m转变成转变成为能量为能量 E释放出来释放出来A、C3、当氘核和氚核聚合成氦

18、核时会释放大量能量，、当氘核和氚核聚合成氦核时会释放大量能量，设氘核的质量为设氘核的质量为m1，氚核的质量为，氚核的质量为m2，氦核的，氦核的质量为质量为m3,中子的质量为中子的质量为m4,则反应过程中释放的则反应过程中释放的能量为：能量为： （ ） 目标检测目标检测2321)(cmmm2421)(cmmm24321)(cmmmm22143)(cmmmmA、C、D、B、CnHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH1042

19、2121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10423121核反应方程为：核反应方程为：2mcE 目标检测（拓展）目标检测（拓展）4、一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，、一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个同时辐射一个光子。已知质子、中子、氘核的光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为质量分别为m m1 1、m m2 2、m m3 3，普朗克常数为，普朗克常数为h h，真空中，真空中的光速为的光速为c c，下列说法正确的是，下列说法正确的是（ ）A A、核反应方程是、核反应方程是HnH3110112)321(cmmmhD、 光子的波长光子的波长C、辐射出的、辐射出的光子的能量光子的能量 E=（m3-m1-m2)c2B、聚变反应中的质量亏损、聚变反应中的质量亏损m=m1+m2-m3B 小结小结1、核子之间的强相互作用力叫、核子之间的强相互作用力叫_。主要。主要特点是特点是_,_.2、当核子结合成原子核时要、