（高考物理）核力与结合能知识和试题详解分析

问题1：什么是核力？为什么核子之间一定存在核力？答：原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子。我们把核子之间的作用力称为核力。实验表明原子核密度的数量级约为1014g/cm3，所以组成原子核的核子是非常紧密到结合在一起的。质子和中子的质量很小，因此核子组成原子核时，万有引力的作用完全可以忽略。质子带正电，中子不带电，质子之间存在相互排斥的库仑力，而原子核具有稳定的结构表明一定存在另外一种作用力让核子紧密结合在一起，这就是核力。问题2：关于核力，我们已经了解到了哪些性质？（高中阶段不做要求，仅为学有余力的同学拓展知识边界。）答：依据大量实验事实，我们已经了解到核力具有如下性质：①核力是短程力。核力与液体中分子间的作用力类似，只作用于相邻的核子。核力的作用距离（又称力程）≤10-14m，在此距离外，核力可认为是0。②核力是强相互作用。当核子的距离约为10-14m时，库仑斥力与距离的平方成反比，但核子还能紧密结合在一起说明核力一定大于斥力。核力的大小约为库仑力的100倍。③核力与电荷无关：质子与质子之间的核力等于中子与中子之间的核力，等于质子与中子之间的核力，即：Fpp=Fnn=Fnp（p表示质子，n表示中子）④核力在极短程内存在斥力。实验表明：与分子力类似，当核子间距离小于0.8fm（（1fm=10-15m）时，核力表现为斥力；核子间距离在0.8fm～2fm时，表现为引力；当距离大于10fm时，核力完全消失。⑤核力具有饱和性。核的结合能近似与核子数成正比。（结合能的概念在问题4中介绍。）⑥核力与核的自旋有关。宇宙中的天体不仅存在公转，还存在自转，比如地球在绕太阳公转的同时也在自转。而微观世界中的粒子，也有与此类似的性质，我们称之为自旋。自旋是微观粒子与生俱来的量子属性。组成原子核的核子也具有自旋，实验表明，核力的大小与核的自旋有关。人们对于核子间距离大于2fm的核力，认识非常清楚；对于0.8fm～2fm的核力，只有一定的认识；对于小于0.8fm的核力，认识非常不足。问题3：如何理解自然界中的四种相互作用？（此问题高中阶段要求不高，同样仅为学有余力的同学拓展知识边界。）答：现代物理学认为，自然界存在着四种基本相互作用：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。引力是自然界的一种基本相互作用，重力是引力在天体表面附近的一种表现；宏观物体之间的弹力、摩擦力，分子间的作用力，水的表面张力等都起源于电荷之间的电磁相互作用；核子之间的核力是一种强度很大、力程很短的相互作用，被称为强相互作用；天然放射现象中引起β衰变的一种强度很小、力程更短的相互作用，被称为弱相互作用。通过下面的表格可以进一步了解自然界的这四种相互作用。问题4：什么是结合能？为什么核子结合成原子核时会释放出能量？答：核子结合成原子核时释放出的能量被称为结合能。使核子结合成原子核的力为核力，当核子间的距离进入核力的作用距离时，核力会使核子加速运动彼此靠近，这一过程类似宏观物体的碰撞过程。核子微观上类似“碰撞”的过程会使核子的动能发生损失，所有核子损失动能的总和就等于原子核的结合能。可想而知，如果要将已经形成的原子核拆分为一个一个的核子同样需要消耗能量，这个能量最小也要等于原子核的结合能。问题5：如何计算原子核的结合能？答：爱因斯坦在狭义相对论指出，物体的质量是它所含能量的量度，质量和能量之间具有以下关系：E=mc2上述关系被称为质能方程，这一关系的实验验证由剑桥大学的两位物理学家考克饶夫和瓦尔顿利用高压倍加器在20世纪30年代完成。任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和，这一差值称为质量亏损（massdefect），用Δm表示，核子结合成原子核时释放出的结合能可以用如下方程进行计算：ΔE

=Δmc2原子核物理学中，结合能常用兆电子伏（MeV）表示，根据质能方程可知1个原子质量单位（1u=

1.66054×10-27kg）的比结合能为931.5Mev。问题6：什么是比结合能？什么是比结合能曲线？答：根据上述利用质量亏损计算原子核结合能的关系可知，核子结合成原子核时，每个核子释放的能量越多，到达的能量状态就越低，形成的原子核就越稳定。我们把每个核子结合成原子核时释放能量的平均值称为比结合能，又称为平均结合能。如图所示为不同原子核的平均结合能曲线。观察上述曲线可以发现，曲线中间高两头低，中等质量的原子核(A=40~120)的比结合能较大，质量较大的重核(A>120)和质量较小的轻核(<40)比结合能都较小，且轻核的比结合能曲线还有较大起伏。所以质量较大的重核分成几个中等质量的原子核时会放出