19.5-核力与结合能

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mpmp库仑力库仑力万有引力万有引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？2.核力是短程力。约在10-15m量级时起作用，距离大于0.8×10-15m时为引力,距离为10×10-15m时核力几乎消失，距离小于0.8×10-15m时为斥力。3.核力具有饱和性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。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。1.核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。1.原子核中的质子数又称为原子序数。3.轻核：排在周期表比较靠前的原子核叫轻核。①一般轻核的质子和中子数相等(N=Z)。例如，氦4的原子核，各有2个质子和中子。②大多数重核是中子多于质子(N＞Z)。例如，金197有79个质子和108个中子。2.重核：排在周期表比较靠后的元素对应的原子核叫重核。自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多。为什么会这样呢？课后自己阅读教材P80页由于核子间存在着强大的核力，所以核子结合成原子核或原子核分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化。可见，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。例如：比结合能：结合能与核子数之比，称做为比结合能。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。3.比结合能曲线不同原子核的比结合能随质量数变化的图线如图所示。从图中可看出,中等质量原子核的比结合能最大,轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小。4.比结合能与原子核稳定的关系(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度,比结合能越大,原子核就越难拆开,表示该原子核就越稳定。(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核,比结合能都比较小,表示原子核不太稳定;中等核子数的原子核,比结合能较大,表示原子核较稳定。(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时,就可能释放核能。例如,一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核,或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核,都能释放出巨大的核能。警示比结合能比结合能更有意义,它反映了原子核结合的稳定程度或分裂的难易程度。比结合能与原子稳定的关系例题1下面关于结合能和比结合能的说法中,正确的有()A.核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能B.比结合能越大的原子核越稳定,因此它的结合能也一定越大C.重核与中等质量原子核相比较,重核的结合能和比结合能都大D.中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大解析:核子结合成原子核是放出能量,原子核拆解成核子是吸收能量,A选项错;比结合能越大的原子核越稳定,但比结合能越大的原子核,其结合能不一定大,例如中等质量原子核的比结合能比重核大,但由于核子数比重核少,其结合能比重核反而小,B、C选项错;中等质量原子核的比结合能比轻核的大,它的原子核内核子数又比轻核多,因此它的结合能也比轻核大,D选项对。答案:DD质量亏损：原子分解为核子时，质量增加；核子结合成原子核时，质量减少。原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，叫做质量亏损。式中c是真空中的光速，m是物体的质量，E是物体的能量。E=mc2核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm，正表明它们在互相结合过程中放出了能量。ΔE=Δm·c2国际单位:m用“kg”,C用“m/s”,ΔE用“J”常用单位:m用“u(原子质量单位)”1u=1.660566×10-27kg,ΔE用“uc2”1uc2=931MeV(表示1u的质量变化相当于931MeV的能量改变)ΔE=Δm·c21.核子结合成原子核时,新核质量小于核子的质量(质量亏损),同时以光子形式释放核能;3.核反应过程中,质量亏损时,核子个数不亏损(即质量数守恒),可理解为组成原子核后,核内每个核子仿佛“瘦了”一些。4.质量亏损并非质量消失,而是减少的质量m以能量形式辐射(动质量),因此质量守恒定律不被破坏。2.原子核分解为核子时,需要吸收一定能量,核子的总质量大于原原子核的质量。例题2已知氮核质量mN=14.00753u,氧核质量mO=17.00454u,氦核质量mHe=4.00387u,质子质量mH=1.00815u,试判断核反应714N+24He→817O+11H是吸能反应,还是放能反应?能量变化多少?(1u相当于931.5MeV的能量)点拨:由反应物和生成物的质量大小关系来判断反应是吸能反应还是放能反应。解析:先计算出质量亏损Δm,然后将1u相当于931.5MeV能量代入计算即可。反应前总质量为mN+mHe=18.01140u,反应后总质量为mO+mH=18.01269u。因为反应中质量增加,所以此反应为吸能反应,所吸收的能量为ΔE=(18.01269-18.01140)×931.5MeV=1.2MeV。答案:吸能反应1.2MeV例题2已知氮核质量mN=14.00753u,氧核质量mO=17.00454u,氦核质量mHe=4.00387u,质子质量mH=1.00815u,试判断核反应714N+24He→817O+11H是吸能反应,还是放能反应?能量变化多少?(1u相当于931.5MeV的能量)点拨:由反应物和生成物的质量大小关系来判断反应是吸能反应还是放能反应。解析:先计算出质量亏损Δm,然后将1u相当于931.5MeV能量代入计算即可。反应前总质量为mN+mHe=18.01140u,反应后总质量为mO+mH=18.01269u。因为反应中质量增加,所以此反应为吸能反应,所吸收的能量为ΔE=(18.01269-18.01140)×931.5MeV=1.2MeV。答案:吸能反应1.2MeV􀎥变式训练2􀎥三个α粒子结合成一个碳612C,已知碳原子核的质量为12.0000u,氦原子核的质量为4.0026u。(1u=1.66×10-27kg)(1)写出核反应的方程;(2)这个核反应放出的能量是多少焦?(3)这个能量合多少MeV?解析:(1)324He→612C+ΔE。(2)Δm=3×4.0026u-12.0000u=0.0078u,Δm=0.0078×1.66×10-27kg=1.2984×10-29kg,ΔE=Δmc2≈1.165×10-12J。(3)ΔE=1.165×10-121.6×10-19eV≈7.28×106eV=7.28MeV。答案:(1)324He→612C+ΔE(2)1.165×10-12J(3)7.28MeV􀎥变式训练2􀎥三个α粒子结合成一个碳612C,已知碳原子核的质量为12.0000u,氦原子核的质量为4.0026u。(1u=1.66×10-27kg)(1)写出核反应的方程;(2)这个核反应放出的能量是多少焦?(3)这个能量合多少MeV?解析:(1)324He→612C+ΔE。(2)Δm=3×4.0026u-12.0000u=0.0078u,Δm=0.0078×1.66×10-27kg=1.2984×10-29kg,ΔE=Δmc2≈1.165×10-12J。(3)ΔE=1.165×10-121.6×10-19eV≈7.28×106eV=7.28MeV。答案:(1)324He→612C+ΔE(2)1.165×10-12J(3)7.28MeV1.对原子核的组成,下列说法正确的是()A.核力可使一些中子组成原子核B.核力可使非常多的质子组成原子核C.不存在只有质子的原子核D.质量较大的原子核内一定有中子解析:由于原子核带正电,不存在只有中子的原子核,但核力也不能把非常多的质子集聚在一起组成原子核,原因是核力是短程力,质子之间还存在“长程力”——库仑力,A、B错误;自然界中存在只有一个质子的原子核,11H,C错误;较大质量的原子核内只有存在一些中子,才能削弱库仑力,维系原子核的稳定,故D正确。答案:DD2.关于核力的说法正确的是()A.核力同万有引力没有区别,都是物体间的作用B.核力就是电磁力C.核力是短程力,作用范围在1.5×10-15m之内D.核力与电荷有关解析:核力是短程力,超过1.5×10-15m,核力急剧下降几乎消失,故C对;核力与万有引力、电磁力不同,故A、B错;核力与电荷无关,故D错。答案:CC1.对原子核的组成,下列说法正确的是()A.核力可使一些中子组成原子核B.核力可使非常多的质子组成原子核C.不存在只有质子的原子核D.质量较大的原子核内一定有中子解析:由于原子核带正电,不存在只有中子的原子核,但核力也不能把非常多的质子集聚在一起组成原子核,原因是核力是短程力,质子之间还存在“长程力”——库仑力,A、B错误;自然界中存在只有一个质子的原子核,11H,C错误;较大质量的原子核内只有存在一些中子,才能削弱库仑力,维系原子核的稳定,故D正确。答案:D3.某核反应方程为12H+13H→24He+X。已知12H的质量为2.0136u,13H的质量为3.0180u,24He的质量为4.0026u,X的质量为1.0087u。则下列说法中正确的是()A.X是质子,该反应释放能量B.X是中子,该反应释放能量C.X是质子,该反应吸收能量D.X是中子,该反应吸收能量解析:由题目所给核反应方程式,根据核反应过程中质量数、电荷数守恒规律,可得12H+13H→24He+01n,X为中子,在该反应发生前,反应物的总质量m1=2.0136u+3.0180u=5.0316u,反应后产物总质量m2=4.0026u+1.0087u=5.0113u,总质量减少,出现了质量亏损,根据爱因斯坦的质能方程可知,该反应释放能量。答案:BB4.一个锂核(37Li)受到一个质子的轰击,变成两个α粒子。已知质子的质量是1.6736×10-27kg,锂核的质量是11.6505×10-27kg,氦核的质量是6.6466×10-27kg。(1)写出上述核反应的方程。(2)计算上述核反应释放出的能量。(保留三位有效数字)解析:(1)37Li+11H→224He。(2)核反应的质量亏损为Δm=mLi+mH-2mα=(11.6505×10-27+1.6736×10-27-2×6.6466×10-27)kg=3.09×10-29kg则释放的能量为ΔE=Δmc2=3.09×10-29×(3×108)2J=2.78×10-12J。答案:(1)见解析(2)2.78×10-12J4.一个锂核(37Li)受到一个质子的轰击,变成两个α粒子。已知质子的质量是1.6736×10-27kg,锂核的质量是11.6505×10-27kg,氦核的质量是6.6466×10-27kg。(1)写出上述核反应的方程。(2)计算上述核反应释放出的能量。(保留三位有效数字)解析:(1)37Li+11H→224He。(2)核反应的质量亏损为Δm=mLi+mH-2mα=(11.6505×10-27+1.6736×10-27-2×6.6466×10-27)kg=3.09×10-29kg则释放的能量为ΔE=Δmc2=3.09×10-29×(3×108)2J=2.78×10-12J。答案:(1)见解析(2)2.78×10-12J