19.5-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1、定义：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。2、特点（1）.核力是强相互作用（强力）的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。（2）.核力是短程力。约在10-15m数量级时起作用，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，因此核子不会融合在一起。（3）.核力与电荷无关。核力与核子电荷无关。（见书本P79图）（4）.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。3、四种相互作用（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。（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，（3）强相互作用：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发生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，作用强度比电磁力弱。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。二、原子核中质子与中子的比例由于核力的作用范围是有限的，如果继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子也无济于事，这样的核必然是不稳定的。在宇宙演化的进程中，各种粒子有机会进行各种组合，但那些不稳定的组合很快就瓦解了，只有200多种稳定的原子核长久地留了下来。现在观察到的天然放射性元素，则正在瓦解之中。二、原子核中质子与中子的比例某一数值时某一数值时相同宏观模型：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。模型分析宏观模型：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。两个物体为了结合而失去了一些能量，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。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．112011211110n+HH+γH+γH+n例如：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．三、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，而是为把核子分开而需要的能量。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。比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，而是为把核子分开而需要的能量。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。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五、质量亏损中子的质量=1.6749×10－27Kg质子的质量=1.6726×10－27Kg中子和质子的质量和=3.3475×10－27Kg氘核的质量=3.3436×10－27Kg质量差△m=0.0039×10－27Kg质量亏损:五、质量亏损例题：请计算一下方程左右的质量变化112011n+HH+γ例题：请计算核反应释放的能量112011n+HH+γ爱因斯坦的质能方程：E＝mc2五、质量亏损△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”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？典例探究A.反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量和B.反应前后质量数不变，因而质量不变C.核子结合成氘核时，一定释放核能D.γ光子具有的能量为，Δm为核反应中的质量亏损2mc例2：中子和质子结合成氘核，同时释放γ光子，核反应方程是,下列说法正确的是（）102111HH+nACD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例题:（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问题与练习参考答案：P821.（1）核反应涉及强相互作用，化学反应涉及电磁相互作用（2）核反应改变了原子核，化学反应可以改变核外电子的排列，从而改变分子结构2、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4.1.02×105m