核力与结合能

第十九章原子核原子核质子（带正电）中子统称为核子回顾：原子核的组成思考：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飞散？猜想：万有引力？回顾：122mmF=Gr引122qqF=kr库中子质子原子核示意图验证：间距r数量级10-15m；质量m数量级10-27kg；电量q数量级10-19C；引力常量G数量级10-11；静电力常量k数量级109。结论：质子间的电磁力是万有引力的1035倍核子不可能靠自身万有引力抗衡库仑斥力。猜想：存在第三种力——核力，是核力把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。一、核力及其性质中子质子原子核示意图1.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0.8×10-15m时为引力,距离为1.5×10-15m时核力几乎消失，距离小于0.8×10-15m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β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。例1.(多选)核力的特点是()A.核力是一种强相互作用B.核力是一种长程力，任意两个核子间都存在核力C.核力只发生在质子之间或质子和中子间，中子间不存在核力D.核力具有饱和性【解析】选A、D。核力是一种强相互作用，A正确；但是核力是一种短程力，仅仅存在于相邻的核子之间，相邻的核子可以是质子和质子，也可以是质子和中子，还可以是中子和中子，因此B、C错误，D正确。AD二、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，中子数大于质数，越重的元素，两者相差越多。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原因分析：核越大，核子间距离增大库仑力与核力均减少，但核力减少快增大到一定程度时，核力较少，不足以平衡库仑力时，原子核会不稳定。若增加中子，与其它核子无库仑力，但有核力，有助于原子核稳定核力是短程力，若超过其作用范围，增加中子，原子核也不稳定，所以原子序数越大越不稳定。1.为什么核电荷数越多的原子核越不稳定？提示：核电荷数越多的原子核中，有些核子之间的距离越来越大，随着距离增大，核力和质子间的斥力都减小，但核力减小得更快，当原子核大到一定程度时，核力会小于质子间的斥力，原子核就不稳定了。2.核力与核子是否带电有没有关系？提示：核力不只发生在质子间，也发生在中子间或质子与中子间，与核子是否带电无关。三结合能要将原子核拆散成单个核子，一定要吸收巨大的能量nHH101121HnH211011当光子能量等于或大于2.22MeV时，这个反应才会发生一个质子和一个中子结合成氘核，要放出2.22MeV的能量可见，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．注意：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说明：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。2、比结合能结合能核子数=自然，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。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），这些核最稳定。例2关于原子核的结合能，下列说法正确的是（）Ａ.原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B.一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能C.铯原子核()的结合能小于铅原子核()的结合能D.比结合能越大，原子核越不稳定Ｅ.自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能最大于该原子核的结合能ABC【解析】选A、B、C。结合能是把核子分开所需的最小能量，选项A正确；一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，存在质量亏损，核子比结合能增大，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，选项B正确；核子数越多，结合能越大，选项C正确；比结合能也叫平均结合能，比结合能越大，分开核子所需的能量越大，原子核越稳定，选项D错误；自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，选项E错误。从相对论得出，物体的能量和质量之间存在如下密切联系。2mcE四、爱因斯坦的质能方程表明：物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系。把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的质量亏损。核子在结合成原子核时出现质量亏损，所以要放出能量，大小为：2mcE*质量亏损请计算核反应释放的能量112011n+HH+γ爱因斯坦的质能方程：E＝mc2△m=0.0039×10－27Kg质量亏损:△E=△mc2=0.0039×10-27×(3×108)2J=3.51×10-13J又1eV=1.60×10-19J∴△E=2.19×106eV=2.19MeV书上P81例题质量亏损表明：原子核内的确存在着结合能。核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm比结合能为:2.19MeV=1.10MeV2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），这些核最稳定。OZABCDEFFe核子平均质量OFe平均结合能核子的平均结合能随质量数的变化DEFABCz1、核子结合成原子核，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.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。有关问题的理解和注意事项4、国际单位：常用单位:m用“u”(原子质量单位)1u=1.660566×10-27kg，c=2.9979×108m/s，1eV=1.6022×10-19J．ΔE用“mc2”，1u=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.m用“kg”，c用“m/s”，E用“J”【例3】下列说法中，正确的是()A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所蕴藏的能量的量度C．核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变为能量D．因为在核反应中产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒B【例4】(多选)关于质能方程，下列哪些说法是正确的()A．质量减少，能量就会增加，在一定条件下质量转化为能量B．物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加一定值C．物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系D．某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的BD课后题1从以下几个方面比较核反应与化学反应的相同和不同之处（1）它们分别涉及四种基本相互作用的哪一种？（2）每种反应分别改变了或重新安排了什么？课后3例3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=1.993×10-26kg所以1u=m/12=1.6606×10-27kg代入公式E=mc2得：E=1.4924×10-10J=931MeV问题与练习参考答案：P822、根据质能关系可知ΔE=Δm·c2。由于光速很大，我们通常看到的物体能量的变化量对应的质量变化量很小，因此我们觉察不到质量变化4.1.02×103m1．(多选)对于核力，以下说法正确的是()A．核力是弱相互作用，作用力很小B．核力是强相互作用，是强力C．核子之间的距离小于0.8×10－15m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起D．核力就是电磁力BC2．对公式E＝mc2，下列说法正确的是()A．能量可以转化为质量B．质量可以转化为能量C．能量的转化与质量的转化是成比例的D．在核反应中，能量与质量都不守恒C3、(多选)对结合能、比结合能的认识，下列说法正确的是()A.核子结合为原子核时，一定释放能量B.核子结合为原子核时，可能吸收能量C.结合能越大的原子核越稳定D.比结合能越大的原子核越稳定AD【规范解答】选A、D。由自由核子结合成原子核的过程中，核力做正功，释放出能量。反之，将原子核分开变为自由核子，它需要吸收相应的能量，该能量即为结合能，故A正确，B错误；对核子较多的原子核的结合能越大，但它的比结合能不一定大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性，故C错误，D正确。4.(2014·北京高考)质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3。当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c表示真空中的光速)()A.(m1+m2-m3)cB.(m1-m2-m3)cC.(m1+m2-m3)c2D.(m1-m2-m3)c2【解析】选C。由题意可知，质量的变化量Δm=m1+m2-m3；根据质能方程ΔE=Δmc2计算释放的能量为E=(m1+m2-m3)c2。C5.(2012·江苏高考)一个中子与某原子核发生核反应，生成一个氘核，其核反应方程式为。该反应放出的能量为Q，则氘核的比结合能为。【解析】方程式：核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫原子核的结合能。它的结合能与核子数之比，称作比结合能，由题意知氘核的核子数为2，所以比结合能为答案：211101nHHQ2。211101QnHH2听老师讲十遍，不如自己做一遍