核力与结合能(教学)

5核力与结合能原子核质子（带正电）中子(不带电)猜想：万有引力？理论验证：质子间距数量级为10-15m；质子质量数量级为10-27kg；质子电量数量级为10-19kg；万有引力常量数量级为10-11；静电力常量数量级109。思考：在原子核那样狭小的空间里，带正电的质子为什么能够挤在一起而不散开？结论：万有引力太小，只有库仑力的10-35到10-36倍之间。万有引力无法抗衡库仑力。猜想：有第三种力存在，是这种力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。核力mpmp库仑力库仑力万有引力万有引力核力·能够把原子核中的各种核子联系在一起的强大的力，叫做核力。一、核力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；距离小于0.8×10-15m时为斥力，因此核子不会融合在一起；距离为10×10-15m时核力几乎消失。1.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。特点3.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。4.核力与电荷无关，它存在于质子、质子间,中子、中子间，质子、中子间。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。二、四种相互作用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，距离越远，力就越小。3.强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。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1018m，作用强度则比电磁力小。质子数中子数理想的质子数和中子数相等的稳定原子核实际存在的原子核三、原子核中质子与中子的比例·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。·核越大，有些核子间的距离增大，库仑力与核力均减少，但核力减少得更快。当核子间距离增大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡库仑斥力，原子核就会不稳定。若只增加中子，中子与其它核子无库仑斥力，但有相互吸引的核力，有助于维系原子核的稳定。所以稳定的重原子核里，中子数要比质子数多。原因分析：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。四、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。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。·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，而是核子结合成原子核时所放出的能量，或是把核子分开时所需要的能量。HHn211110HnH111021质量差=0.0039×1027Kg五、质量亏损中子的质量=1.6749×1027Kg；质子的质量=1.6726×1027Kg；氘核的质量=3.3436×1027Kg。HHn211110中子和质子的质量和=3.3475×1027Kg·质量亏损表明原子核内的确存在着结合能。·爱因斯坦的质能方程：E＝mc2·核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm，表明核子在互相结合过程中放出了能量：ΔE=Δm·c2·原子核越大，它的结合能越高。因此，有意义的是它的结合能与核子数之比，称作比结合能，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。六、比结合能·中等大小的核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大）。①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；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。②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。有关问题的理解和注意事项③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。不能说成质量转变成了能量。④公式ΔE=Δmc2的单位问题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)⑤核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释放或吸收的能量大好几个数量级。如例题，2.19MeV的能量的绝对数量并不算大，但这只是组成1个氘核所放出的能量。如果组成的是6.02×1023个氘核时，放出的能量就十分可观了。与之相对照的是，使1摩尔的碳完全燃烧放出的能量为393.5×103J。折合为每个碳原子在完全燃烧时放出的能量只不过4eV。若跟上述核反应中每个核子放出的能量（比结合能）相比，两者相差数十万倍。例题1、（原子量为232.0372）衰变为（原子量为228.0287）时，释放出粒子（的原子量为4.0026）。写出衰变方程，并且计算衰变过程中释放的能量。U23892Th23490He42解：衰变方程HeThU422349023892衰变后的质量亏损=232.0372u(222.0287u+4.0026u)=0.0059um释放的能量2mcE=0.0059931.5MeV=5.5MeV例题2、原来静止的原子核衰变后放出粒子的动能为，假设衰变时产生的能量全部以动能的形式释放出来，求原子核衰变前后的质量亏损。XabXabkE2)4(caaEmk练习、已知一个中子的质量为mn，一个质子的质量为mP，一个粒子的质量为m，求由质子和中子结合成一个粒子时所释放的能量。=[2（mn+mP)mc2E上题中，若是一个粒子分解成核子，是释放能量还是吸收能量？释放（或吸收）的能量表达式如何？吸收能量，吸收的能量表达式为：=[2（mn+mP)mc2E