2019-2020學年高中物理 第19章 第5節(jié) 核力與結合能課件 新人教版選修3-5

1、第十九章原子核第十九章原子核 第第5 5節(jié)核力與結合能節(jié)核力與結合能 核力和介子核力和介子 原子核一般都很穩(wěn)定，說明它們之間存在很強的原子核一般都很穩(wěn)定，說明它們之間存在很強的 引力，但質(zhì)子位于原子核外時，它們卻互相排斥，沒有引力，但質(zhì)子位于原子核外時，它們卻互相排斥，沒有 任何相互吸引的跡象中子是不帶電的，而質(zhì)子都帶有任何相互吸引的跡象中子是不帶電的，而質(zhì)子都帶有 正電荷，在小小的原子核內(nèi)，這些都帶正電荷的質(zhì)子應正電荷，在小小的原子核內(nèi)，這些都帶正電荷的質(zhì)子應 該相互排斥，這樣原子核早就該分崩離析了可實際上該相互排斥，這樣原子核早就該分崩離析了可實際上 這種情況并沒有發(fā)生那么，中子和質(zhì)子之間

2、究竟是依這種情況并沒有發(fā)生那么，中子和質(zhì)子之間究竟是依 靠什么強有力地結合在一起的呢？靠什么強有力地結合在一起的呢？ 物理學家們把這種只有在原子核內(nèi)才能覺察到的極物理學家們把這種只有在原子核內(nèi)才能覺察到的極 強的結合力稱為強的結合力稱為“核力核力”核力是一種交換力，兩核之核力是一種交換力，兩核之 間可以通過交換位置、交換自旋方向或同時交換位置和間可以通過交換位置、交換自旋方向或同時交換位置和 自旋方向而發(fā)生相互作用這種交換性可用介子場理論自旋方向而發(fā)生相互作用這種交換性可用介子場理論 來說明來說明 湯川秀樹于湯川秀樹于1935年提出了一種解釋年提出了一種解釋“核力核力”的新理的新理 論湯川認為

3、，自然界中應該有一種尚未被發(fā)現(xiàn)的新粒論湯川認為，自然界中應該有一種尚未被發(fā)現(xiàn)的新粒 子質(zhì)子和中子之間不斷地來回拋擲、互相交換這種粒子質(zhì)子和中子之間不斷地來回拋擲、互相交換這種粒 子，只要質(zhì)子和中子距離近得能拋擲和子，只要質(zhì)子和中子距離近得能拋擲和 接住這些粒子，它們就能牢牢地維系在一起一旦中子接住這些粒子，它們就能牢牢地維系在一起一旦中子 和質(zhì)子相距較遠，使那些粒子無法抵達對方時，核力就和質(zhì)子相距較遠，使那些粒子無法抵達對方時，核力就 失效了湯川還進一步提出，這種新粒子質(zhì)量介于電子失效了湯川還進一步提出，這種新粒子質(zhì)量介于電子 和質(zhì)子之間，大約是電子質(zhì)量的和質(zhì)子之間，大約是電子質(zhì)量的200倍，

4、因此取名倍，因此取名“介介 子子” 1947年，鮑威爾發(fā)明了核乳膠，并于年，鮑威爾發(fā)明了核乳膠，并于1947年用這年用這 種核乳膠記錄下了湯川介子衰變?yōu)榉N核乳膠記錄下了湯川介子衰變?yōu)榻樽拥姆磻^介子的反應過 程程.1949年湯川因為創(chuàng)立了介子理論而獲得諾貝爾物理學年湯川因為創(chuàng)立了介子理論而獲得諾貝爾物理學 獎，而鮑威爾在湯川之后的獎，而鮑威爾在湯川之后的1950年獲諾貝爾物理學獎年獲諾貝爾物理學獎 1四種基本相互作用四種基本相互作用 (1)自然界物體之間的相互作用除了以前學習的引力自然界物體之間的相互作用除了以前學習的引力 相互作用和電磁力相互作用，還存在相互作用和電磁力相互作用，還存在_和和

5、 _ (2)核力：原子核里的核子間有著一種核力，是核力核力：原子核里的核子間有著一種核力，是核力 把核子緊緊地束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核把核子緊緊地束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核 (3)核力的特點：核力是核力的特點：核力是_的一種表的一種表 現(xiàn)核力是短程力，作用范圍在現(xiàn)核力是短程力，作用范圍在1.510 15 m之內(nèi)，大 之內(nèi)，大 于于0.810 15 m時表現(xiàn)為 時表現(xiàn)為 強相互作用強相互作用 弱相互作用弱相互作用 強相互作用強相互作用 _小于小于0.810 15 m表現(xiàn)為 表現(xiàn)為_每個核每個核 子只跟子只跟_的核子發(fā)生核力作用，具有飽和性的核子發(fā)生核力作用，具有飽和性 2原子核中質(zhì)子與中子

6、的比例原子核中質(zhì)子與中子的比例 原子核是由質(zhì)子和中子組成，較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)原子核是由質(zhì)子和中子組成，較輕的原子核，質(zhì)子數(shù) 與中子數(shù)與中子數(shù)_，但對于較重的原子核，中子數(shù)，但對于較重的原子核，中子數(shù) _質(zhì)子數(shù)，越重的元素，質(zhì)子數(shù)，越重的元素，_.這是因為核子數(shù)這是因為核子數(shù) 越多時，有些核之間的距離越多時，有些核之間的距離_，核力會迅速減小，核力會迅速減小， 使核力不足以克服質(zhì)子的庫侖斥力，使原子核不穩(wěn)定，可使核力不足以克服質(zhì)子的庫侖斥力，使原子核不穩(wěn)定，可 見原子核的粒子數(shù)不能無限多的原因是見原子核的粒子數(shù)不能無限多的原因是_ 決定的決定的 引力引力 斥力斥力 相鄰相鄰 大致相等大致相等

7、大于大于相差越大相差越大 越大越大 核力的飽和性核力的飽和性 3結合能結合能 由核子結合成原子核要放出能量，這就是原子核由核子結合成原子核要放出能量，這就是原子核 的的_原子核的結合能與核子數(shù)之比，稱作原子核的結合能與核子數(shù)之比，稱作 _，也叫平均結合能，也叫平均結合能_越大，越大， 表示原子核中核子結合得越表示原子核中核子結合得越_，原子核越穩(wěn)，原子核越穩(wěn) 定定 4質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損 (1)原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和，原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和， 這個現(xiàn)象叫作這個現(xiàn)象叫作_ 結合能結合能 比結合能比結合能比結合能比結合能 牢固牢固 質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損 (2)質(zhì)能方程：物體

8、的能量與它的質(zhì)量有簡單比例質(zhì)能方程：物體的能量與它的質(zhì)量有簡單比例 關系，即關系，即E_，質(zhì)量虧損，質(zhì)量虧損m與原子核的結合能與原子核的結合能 的關系為：的關系為：Emc2. 欄目鏈 欄目鏈 mc2 欄目鏈接 欄目鏈接 1 核力與四種基本相互作用核力與四種基本相互作用 1核力：組成原子核的相鄰核子之間存在著一種特殊核力：組成原子核的相鄰核子之間存在著一種特殊 的力，這種力叫作核力的力，這種力叫作核力 2核力特點核力特點 (1)核力是強相互作用核力是強相互作用(強力強力)的一種表現(xiàn)，在它的作用的一種表現(xiàn)，在它的作用 范圍內(nèi)，核力比庫侖力大得多范圍內(nèi)，核力比庫侖力大得多 (2)核力是短程力，作用范

9、圍在核力是短程力，作用范圍在1.510 15 m之內(nèi) 之內(nèi) (3)每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，這種性每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，這種性 質(zhì)稱為核力的飽和性質(zhì)稱為核力的飽和性 3基本相互作用基本相互作用 自然界中最基本的四種相互作用是：引力相互作用、電磁自然界中最基本的四種相互作用是：引力相互作用、電磁 相互作用、強相互作用和弱相互作用相互作用、強相互作用和弱相互作用 注：注：引力相互作用和電磁相互作用是長程力，強相互作用引力相互作用和電磁相互作用是長程力，強相互作用 和弱相互作用是短程力和弱相互作用是短程力 自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，自然界中較輕的原子核，質(zhì)

10、子數(shù)與中子數(shù)大致相等， 但對于較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，原子核越重的但對于較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，原子核越重的 兩者相差越多兩者相差越多 注：注：原子核越大，有些核子間的距離越來越遠，核原子核越大，有些核子間的距離越來越遠，核 力與電磁力都會減小，核力減小得更快原子核大到一定力與電磁力都會減小，核力減小得更快原子核大到一定 程度時，相距較遠的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們的庫侖程度時，相距較遠的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們的庫侖 力，這個原子就不穩(wěn)定了這時，不再成對地增加質(zhì)子力，這個原子就不穩(wěn)定了這時，不再成對地增加質(zhì)子 2 原子核中質(zhì)子和中子的比例原子核中質(zhì)子和中子的比例 和中子，而

11、只增加中子，中子與其他核子沒和中子，而只增加中子，中子與其他核子沒 有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，有助于有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，有助于 維持原子核的穩(wěn)定維持原子核的穩(wěn)定 3 結合能結合能 3比結合能與原子核的穩(wěn)定性比結合能與原子核的穩(wěn)定性 (1)比結合能的大小能夠反映核的穩(wěn)定程度，比結合比結合能的大小能夠反映核的穩(wěn)定程度，比結合 能越大，原子核就越難拆開，表示該核就越穩(wěn)定能越大，原子核就越難拆開，表示該核就越穩(wěn)定 (2)核子數(shù)較少的輕核與核子數(shù)較多的重核，比結合核子數(shù)較少的輕核與核子數(shù)較多的重核，比結合 能都比較小，中等核子數(shù)的原子核，比結合能較大，表能都比較小，中等核子數(shù)的原子核，

12、比結合能較大，表 示這些原子核較穩(wěn)定示這些原子核較穩(wěn)定 (3)當比結合能較小的原子核轉化成比結合能當比結合能較小的原子核轉化成比結合能 較大的原子核時，就可釋放核能例如，一個核子較大的原子核時，就可釋放核能例如，一個核子 數(shù)較大的重核分裂成兩個核子數(shù)小一些的核，或者數(shù)較大的重核分裂成兩個核子數(shù)小一些的核，或者 兩個核子數(shù)很小的輕核結合成一個核子數(shù)大一些的兩個核子數(shù)很小的輕核結合成一個核子數(shù)大一些的 核，都能釋放出巨大的核能核，都能釋放出巨大的核能 例例1下列對核力的認識正確的是下列對核力的認識正確的是() A任何物體之間均存在核力任何物體之間均存在核力 B核力廣泛存在于自然界中的核子之間核力廣

13、泛存在于自然界中的核子之間 C核力只存在于質(zhì)子之間核力只存在于質(zhì)子之間 D核力只發(fā)生在相距核力只發(fā)生在相距1.510 15 m的核子之間， 的核子之間， 大于大于0.810 15 m為吸引力，而小于 為吸引力，而小于0.810 15 m為 為 斥力斥力 分析：分析：核力與萬有引力性質(zhì)不同核力只存在核力與萬有引力性質(zhì)不同核力只存在 于相鄰的核子之間核力是短程力，在相鄰核子間于相鄰的核子之間核力是短程力，在相鄰核子間 存在，從而即可求解存在，從而即可求解 解析：解析：由核力的特點知道，只有相距由核力的特點知道，只有相距1.510 15 m的核子之間才存在核力，核力發(fā)生在質(zhì)子與質(zhì)子、的核子之間才存在

14、核力，核力發(fā)生在質(zhì)子與質(zhì)子、 質(zhì)子與中子之間，由此知質(zhì)子與中子之間，由此知D正確，正確，A、B、C錯誤錯誤 答案：答案：D 名師點評：名師點評：本題考查對核力的理本題考查對核力的理 解核力是自然界四種基本作用力之一，解核力是自然界四種基本作用力之一， 與萬有引力性質(zhì)、特點不同與萬有引力性質(zhì)、特點不同 變變 式式 遷遷 移移 變變 式式 遷遷 移移 E自由核子組成原子核時，其質(zhì)量虧損所對應的自由核子組成原子核時，其質(zhì)量虧損所對應的 能量小于該原子核的結合能能量小于該原子核的結合能 解析：解析：本題考查原子核物理的結合能及其相關知識點，本題考查原子核物理的結合能及其相關知識點， 意在考查考生綜合應

15、用知識分析問題的能力比結合能意在考查考生綜合應用知識分析問題的能力比結合能 越大，原子核越穩(wěn)定，選項越大，原子核越穩(wěn)定，選項D錯誤自由核子組成原子核錯誤自由核子組成原子核 時，其質(zhì)量虧損所對應的能量等于該原子核的結合能，時，其質(zhì)量虧損所對應的能量等于該原子核的結合能， 選項選項E錯誤對于這類選擇題，可應用學過的知識分析各錯誤對于這類選擇題，可應用學過的知識分析各 個選項，迅速得出答案個選項，迅速得出答案 答案：答案：ABC 4 質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損 1質(zhì)能方程：愛因斯坦的相對論指出，物體的能量質(zhì)能方程：愛因斯坦的相對論指出，物體的能量 和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，其關系是和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系

16、，其關系是 Emc2或或Emc2. 這就是著名的愛因斯坦質(zhì)能聯(lián)系方程，簡稱質(zhì)能方這就是著名的愛因斯坦質(zhì)能聯(lián)系方程，簡稱質(zhì)能方 程方程的含義是：物體具有的能量與它的質(zhì)量之間存程方程的含義是：物體具有的能量與它的質(zhì)量之間存 在著簡單的正比關系物體的能量增大質(zhì)量也增大，能在著簡單的正比關系物體的能量增大質(zhì)量也增大，能 量減小質(zhì)量也減小量減小質(zhì)量也減小 2質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損 由于核力的本質(zhì)還在研究之中，所以根據(jù)核力做功來求由于核力的本質(zhì)還在研究之中，所以根據(jù)核力做功來求 核能是不可能的但物理學家卻有辦法求出核能物理核能是不可能的但物理學家卻有辦法求出核能物理 學家們研究了質(zhì)子、中子和氘核之間的質(zhì)量關系，

17、發(fā)現(xiàn)學家們研究了質(zhì)子、中子和氘核之間的質(zhì)量關系，發(fā)現(xiàn) 氘核雖然是由一個中子和一個質(zhì)子組成的，但氘核的質(zhì)氘核雖然是由一個中子和一個質(zhì)子組成的，但氘核的質(zhì) 量要比中子和質(zhì)子的質(zhì)量之和要小一些我們把組成原量要比中子和質(zhì)子的質(zhì)量之和要小一些我們把組成原 子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差叫作核的質(zhì)量虧子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差叫作核的質(zhì)量虧 損根據(jù)質(zhì)量虧損可以計算核能損根據(jù)質(zhì)量虧損可以計算核能 (3)利用平均結合能來計算核能利用平均結合能來計算核能 原子核的結合能核子的平均結合能原子核的結合能核子的平均結合能核子核子 數(shù)核反應中反應前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的總結合能數(shù)核反應中反應前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的

18、總結合能 與反應后生成的所有新核的總結合能之差，就是該與反應后生成的所有新核的總結合能之差，就是該 次核反應所釋放次核反應所釋放(或吸收或吸收)的核能的核能 (4)根據(jù)能量守恒和動量守恒來計算核能根據(jù)能量守恒和動量守恒來計算核能 參與核反應的粒子所組成的系統(tǒng)，在核反應過程中參與核反應的粒子所組成的系統(tǒng)，在核反應過程中 的動量和能量是守恒的，因此，在題給條件中沒有的動量和能量是守恒的，因此，在題給條件中沒有 涉及質(zhì)量虧損，或者核反應所釋放的核能全部轉化涉及質(zhì)量虧損，或者核反應所釋放的核能全部轉化 為生成的新粒子的動能而無光子輻射的情況下，從為生成的新粒子的動能而無光子輻射的情況下，從 動量和能量

19、守恒可以計算出核能的變化動量和能量守恒可以計算出核能的變化 注：注：1.質(zhì)能方程質(zhì)能方程Emc2的理解的理解 (1)質(zhì)能方程說明，一定的質(zhì)量總是跟一定的能量相聯(lián)系質(zhì)能方程說明，一定的質(zhì)量總是跟一定的能量相聯(lián)系 的具體地說，一定質(zhì)量的物質(zhì)所具有的總能量是一定的具體地說，一定質(zhì)量的物質(zhì)所具有的總能量是一定 的，等于光速的平方與其質(zhì)量之積，這里所說的總能量，的，等于光速的平方與其質(zhì)量之積，這里所說的總能量， 不是單指物體的動能、核能或其他哪一種能量，而是物不是單指物體的動能、核能或其他哪一種能量，而是物 體所具有的各種能量的總和體所具有的各種能量的總和 (2)根據(jù)質(zhì)能方程，物體的總能量與其質(zhì)量成正比

20、物體根據(jù)質(zhì)能方程，物體的總能量與其質(zhì)量成正比物體 質(zhì)量增加，則總能量隨之增加；質(zhì)量減少，總能量也隨質(zhì)量增加，則總能量隨之增加；質(zhì)量減少，總能量也隨 之減少，這時質(zhì)能方程也寫作之減少，這時質(zhì)能方程也寫作Emc2. (3)運用質(zhì)能方程時應注意單位一般情況下，公式運用質(zhì)能方程時應注意單位一般情況下，公式 中各量都應取國際單位但在微觀領域，用國際單位往中各量都應取國際單位但在微觀領域，用國際單位往 往比較麻煩，習慣上常用往比較麻煩，習慣上常用“原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位”和和“電子伏電子伏 特特”作為質(zhì)量和能量的單位一原子質(zhì)量單位的質(zhì)量為作為質(zhì)量和能量的單位一原子質(zhì)量單位的質(zhì)量為1 u,1 u1.660

21、 610 27 kg，由質(zhì)能方程知， ，由質(zhì)能方程知，1 u的質(zhì)量所的質(zhì)量所 對應的能量對應的能量Emc21.660 610 27 (3.0108)2 J 1.49410 10 J 931.5 MeV. 2質(zhì)量虧損的理解質(zhì)量虧損的理解 所謂質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消失，減少的質(zhì)量在核所謂質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消失，減少的質(zhì)量在核 子結合成核的過程中以能量的形式輻射出去了反過來，子結合成核的過程中以能量的形式輻射出去了反過來， 把原子核分裂成核子，總質(zhì)量要增加，總能量也要增加，把原子核分裂成核子，總質(zhì)量要增加，總能量也要增加， 增加的能量要由外部供給總之，物體的能量和質(zhì)量之增加的能量要由外部供給總之，物體的能量和質(zhì)量之 間存在著密切的聯(lián)系，它們之間的關系就是間存在著密切的聯(lián)系，它們之間的關系就是Emc2. 例例2為紀念愛因斯坦對物理學做出的巨大貢獻，為紀念愛因斯坦對物理學做出的巨大貢獻， 聯(lián)合國將聯(lián)合國將2005年定為年定為“國際物理年國際物理年”對于愛因斯坦提對于愛因斯坦提 出的質(zhì)能方程出的質(zhì)能方程Emc2，下列說法中不正確的是，下列說法中不正確的是() AEmc2表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比 B根據(jù)根據(jù)Emc2可以計算核反應中釋放的核能可以計算核反