核力與結(jié)合能(公開(kāi)課)

1、第四節(jié)第四節(jié) 核力與結(jié)合能核力與結(jié)合能目標(biāo)：目標(biāo)：1、知道核力的概念及其性質(zhì)。、知道核力的概念及其性質(zhì)。2、認(rèn)識(shí)原子核的結(jié)合能、認(rèn)識(shí)原子核的結(jié)合能3、了解平均結(jié)合能。、了解平均結(jié)合能。4、會(huì)利用質(zhì)能方程求解結(jié)合能。、會(huì)利用質(zhì)能方程求解結(jié)合能。回顧：原子核的組成回顧：原子核的組成 原子核是由原子核是由質(zhì)子質(zhì)子和和中子中子組成的，組成的，質(zhì)子質(zhì)子和和中子中子統(tǒng)統(tǒng)稱(chēng)為稱(chēng)為核子核子第四節(jié)第四節(jié) 核力與結(jié)合能核力與結(jié)合能提出問(wèn)題：提出問(wèn)題：質(zhì)子間存在著巨質(zhì)子間存在著巨大的庫(kù)倫斥力，那為什么質(zhì)大的庫(kù)倫斥力，那為什么質(zhì)子沒(méi)有被排斥開(kāi)，反而還緊子沒(méi)有被排斥開(kāi)，反而還緊緊的結(jié)合在一起呢？緊的結(jié)合在一起呢？猜想：

2、猜想：萬(wàn)有引力？萬(wàn)有引力？m1410一一 核力及其性質(zhì)核力及其性質(zhì)質(zhì)子相互間距質(zhì)子相互間距r的數(shù)量級(jí)為的數(shù)量級(jí)為10-15m；質(zhì)子質(zhì)量；質(zhì)子質(zhì)量m的數(shù)量級(jí)的數(shù)量級(jí)為為10-27kg，質(zhì)子電量，質(zhì)子電量e的數(shù)量級(jí)為的數(shù)量級(jí)為10-19C；萬(wàn)有引力常量；萬(wàn)有引力常量G的數(shù)量級(jí)為的數(shù)量級(jí)為10-11，靜電力常量靜電力常量k的數(shù)量級(jí)為的數(shù)量級(jí)為109。估算估算庫(kù)庫(kù)侖力與萬(wàn)有引力之比？侖力與萬(wàn)有引力之比？萬(wàn)庫(kù)FF 解解 ：3610結(jié)論：結(jié)論：原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬(wàn)有引力來(lái)原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬(wàn)有引力來(lái)抗衡相互間的庫(kù)侖力是不可能的。抗衡相互間的庫(kù)侖力是不可能的。再猜想：再猜想：在核子之間一定存在著

3、第三種力，使核在核子之間一定存在著第三種力，使核子能緊密的結(jié)合在一起。子能緊密的結(jié)合在一起。核力。核力。227112199222222)10(1010(10/）GmkerGmrke能夠把原子核中的各種核子聯(lián)系在一起的強(qiáng)大能夠把原子核中的各種核子聯(lián)系在一起的強(qiáng)大 的力，叫做的力，叫做核力核力。一、核力一、核力2. 核力是短程力。約在核力是短程力。約在10-15m量級(jí)時(shí)起作用，距離量級(jí)時(shí)起作用，距離大于大于0.810-15m時(shí)為引力；距離小于時(shí)為引力；距離小于0.810-15m時(shí)時(shí)為斥力，因此核子不會(huì)融合在一起；為斥力，因此核子不會(huì)融合在一起； 距離為距離為1010-15m時(shí)核力幾乎消失。時(shí)核力幾

4、乎消失。1. .核力是四種相互作用中的強(qiáng)相互作用的一種核力是四種相互作用中的強(qiáng)相互作用的一種 表現(xiàn)。在原子核尺度內(nèi)，核力比庫(kù)侖力大得多。表現(xiàn)。在原子核尺度內(nèi)，核力比庫(kù)侖力大得多。3. 核力具有飽和性，即每個(gè)核子只跟相鄰的核子核力具有飽和性，即每個(gè)核子只跟相鄰的核子 發(fā)生核力作用。發(fā)生核力作用。 特特 點(diǎn)點(diǎn)4. 核力與電荷無(wú)關(guān)，核力與電荷無(wú)關(guān)，它存在于質(zhì)子、質(zhì)子間，它存在于質(zhì)子、質(zhì)子間， 中子、中子間，質(zhì)子、中子間。中子、中子間，質(zhì)子、中子間。1.1.萬(wàn)有引力：萬(wàn)有引力：引力主要在宏觀和宇宙尺度上引力主要在宏觀和宇宙尺度上“獨(dú)領(lǐng)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷風(fēng)騷”。是引力使行星繞恒星轉(zhuǎn)動(dòng)，并且聯(lián)系著星。是引力使行星繞

5、恒星轉(zhuǎn)動(dòng)，并且聯(lián)系著星系團(tuán)，決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來(lái)。系團(tuán)，決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來(lái)。二、四種相互作用二、四種相互作用3.3.強(qiáng)相互作用：強(qiáng)相互作用：在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將核子束縛在在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將核子束縛在 一起。一起。2.2.電磁力：電磁力：在原子核外，電磁力使電子結(jié)合成分子，在原子核外，電磁力使電子結(jié)合成分子，使分子結(jié)合成液體與固體。使分子結(jié)合成液體與固體。4.4.弱相互作用：弱相互作用：弱相互作用是引起原子核弱相互作用是引起原子核 衰變的原衰變的原因，即引起中子質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是因，即引起中子質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強(qiáng)力更短，為短程力，其力程比強(qiáng)力更短，為1

6、0 18m，作用強(qiáng)度則，作用強(qiáng)度則比電磁力小。比電磁力小。電磁力和萬(wàn)有引力都是電磁力和萬(wàn)有引力都是“長(zhǎng)程力長(zhǎng)程力”，即它們可以，即它們可以作用到無(wú)限遠(yuǎn)的距離，距離越遠(yuǎn)，力就越小。作用到無(wú)限遠(yuǎn)的距離，距離越遠(yuǎn)，力就越小。二二 結(jié)合能結(jié)合能要將原子核拆散成單個(gè)核子，一定需要吸收巨要將原子核拆散成單個(gè)核子，一定需要吸收巨大的能量。大的能量。根據(jù)功能關(guān)系，理由是什么？根據(jù)功能關(guān)系，理由是什么？二二 結(jié)合能結(jié)合能nHH101121HnH211011當(dāng)光子能量等于或當(dāng)光子能量等于或大于大于2.22MeV時(shí)，時(shí)，這個(gè)反應(yīng)才會(huì)發(fā)生這個(gè)反應(yīng)才會(huì)發(fā)生 一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核，要放出結(jié)合成氘

7、核，要放出2.22MeV的能量的能量 結(jié)合能：結(jié)合能：將原子核拆散成將原子核拆散成單個(gè)核子單個(gè)核子需要吸收的需要吸收的能量能量比結(jié)合能比結(jié)合能：結(jié)合能與核子數(shù)之比：結(jié)合能與核子數(shù)之比 比結(jié)合能比結(jié)合能 比結(jié)合能越大，表示原子核中核子比結(jié)合能越大，表示原子核中核子 結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。比結(jié)合能比結(jié)合能1）概念：）概念：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比2）意義：）意義：它反映了一個(gè)原子核穩(wěn)定程度。平均結(jié)合能它反映了一個(gè)原子核穩(wěn)定程度。平均結(jié)合能越大，核越穩(wěn)定。越大，核越穩(wěn)定。3）規(guī)律：較輕核和較重核的核子）規(guī)律：較輕核和較重核的核子平均結(jié)合能

8、較小平均結(jié)合能較小,穩(wěn)定性穩(wěn)定性較差較差;中等質(zhì)量核的核子中等質(zhì)量核的核子平均結(jié)合能較大，穩(wěn)定性較好。平均結(jié)合能較大，穩(wěn)定性較好。 2、比結(jié)合能：、比結(jié)合能：結(jié)合能結(jié)合能核子數(shù)核子數(shù)=如何求解原子核的結(jié)合能？如何求解原子核的結(jié)合能？HHn211110反應(yīng)前質(zhì)量反應(yīng)前質(zhì)量/kg反應(yīng)后質(zhì)量反應(yīng)后質(zhì)量/kgmn1.67491027m氘氘3.34361027mp1.67261027總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量3.343610273.3475 1027 在物理上，反應(yīng)后原子核的質(zhì)量在物理上，反應(yīng)后原子核的質(zhì)量小于小于組成該核的組成該核的全部核子獨(dú)自存在時(shí)的全部核子獨(dú)自存在時(shí)的總質(zhì)量總質(zhì)量，這兩者的差額叫做，

9、這兩者的差額叫做質(zhì)量質(zhì)量虧損虧損 原子核的結(jié)合能會(huì)不會(huì)與質(zhì)量原子核的結(jié)合能會(huì)不會(huì)與質(zhì)量 虧損有關(guān)呢？你的依據(jù)是什么？虧損有關(guān)呢？你的依據(jù)是什么？ 三三 質(zhì)能方程質(zhì)能方程 E=mcE=mc2 2 (1) 物體具有的能量跟它的質(zhì)量存在著簡(jiǎn)單正比物體具有的能量跟它的質(zhì)量存在著簡(jiǎn)單正比關(guān)系關(guān)系.對(duì)質(zhì)能方程理解對(duì)質(zhì)能方程理解E=mc2的理解的理解三三 質(zhì)能方程質(zhì)能方程 E=mcE=mc2 2（2）任何質(zhì)量為）任何質(zhì)量為m的物體都具有大小相當(dāng)于的物體都具有大小相當(dāng)于mc2的能量。任何一部分能量也都與一定的質(zhì)量向?qū)Φ哪芰?。任何一部分能量也都與一定的質(zhì)量向?qū)?yīng)。應(yīng)。（3）物體的質(zhì)量發(fā)生變化，相對(duì)應(yīng)的能量也會(huì)）

10、物體的質(zhì)量發(fā)生變化，相對(duì)應(yīng)的能量也會(huì)變化。變化。HnH211011232232221)(1cmmmEEcmcmcmm1m2m3根據(jù)質(zhì)能方程根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2和和能量守恒定律能量守恒定律，推導(dǎo)出，推導(dǎo)出光子的能量光子的能量( (即氘核的結(jié)合能）即氘核的結(jié)合能）并總結(jié)出求結(jié)合能的方法。并總結(jié)出求結(jié)合能的方法。2mcE計(jì)算結(jié)合能時(shí)，先計(jì)算計(jì)算結(jié)合能時(shí)，先計(jì)算質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損mm，在帶入，在帶入質(zhì)能方程求出結(jié)合能質(zhì)能方程求出結(jié)合能三三 質(zhì)能方程質(zhì)能方程 E=mcE=mc2 2EE三三 質(zhì)能方程質(zhì)能方程 E=mcE=mc2 2HHn211110反應(yīng)前質(zhì)量反應(yīng)前質(zhì)量/kg反應(yīng)后質(zhì)量反應(yīng)后質(zhì)量/kgmn

11、1.67491027m氘氘3.34361027mp1.67261027總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量總質(zhì)量3.343610273.3475 1027理論值：理論值：m=(mn+mp-m氘）=0.0039 1027kg28 272)10 (3.010 0.0039=mc =EJ131051. 3試驗(yàn)值：試驗(yàn)值：MevMev19. 210106 . 11051. 3619132.22Mev2mcE計(jì)算結(jié)合能時(shí)，先計(jì)算計(jì)算結(jié)合能時(shí)，先計(jì)算質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損mm，在帶入，在帶入質(zhì)能方程求出結(jié)合能質(zhì)能方程求出結(jié)合能計(jì)算任意核反應(yīng)中釋放計(jì)算任意核反應(yīng)中釋放的核能，先計(jì)算質(zhì)量虧的核能，先計(jì)算質(zhì)量虧損損mm，在帶入質(zhì)能方，

12、在帶入質(zhì)能方程求出核能。程求出核能。核能核能質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損三三 質(zhì)能方程質(zhì)能方程 E=mcE=mc2 2三三 質(zhì)能方程質(zhì)能方程 E=mcE=mc2 21、質(zhì)量和能量是兩個(gè)完全不同的概念，它們表征的對(duì)、質(zhì)量和能量是兩個(gè)完全不同的概念，它們表征的對(duì)象不同，相互之間不能轉(zhuǎn)化。象不同，相互之間不能轉(zhuǎn)化。下面說(shuō)法是否正確。并說(shuō)明理由。下面說(shuō)法是否正確。并說(shuō)明理由。（1）由質(zhì)能方程）由質(zhì)能方程E=mc2，可推得，可推得E=mc2,這說(shuō)明質(zhì)量這說(shuō)明質(zhì)量就是能量，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。就是能量，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。2、質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量與能量的不可分割性，、質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量與能量的不可分割性，方程建立了這兩

13、個(gè)屬性在數(shù)值上的關(guān)系。決不方程建立了這兩個(gè)屬性在數(shù)值上的關(guān)系。決不是這兩個(gè)量相互轉(zhuǎn)化。是這兩個(gè)量相互轉(zhuǎn)化。三三 質(zhì)能方程質(zhì)能方程 E=mcE=mc2 2【討論與交流】【討論與交流】下面說(shuō)法是否正確。并說(shuō)明理由。下面說(shuō)法是否正確。并說(shuō)明理由。（2）關(guān)系式）關(guān)系式E=mc2中的質(zhì)量虧損表明在核反應(yīng)時(shí)中的質(zhì)量虧損表明在核反應(yīng)時(shí)質(zhì)量不守恒。質(zhì)量不守恒。1、質(zhì)量包括、質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量?jī)刹糠纸M成兩部分組成2、 E=mc2中中m可以理解為靜止質(zhì)量的虧損，可以理解為靜止質(zhì)量的虧損， 也可以理解為釋放的能量也可以理解為釋放的能量E對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量增加對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量增加3、因此質(zhì)量虧損不

14、能簡(jiǎn)單地認(rèn)為質(zhì)量減少，質(zhì)量虧損的、因此質(zhì)量虧損不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為質(zhì)量減少，質(zhì)量虧損的本質(zhì)是靜止質(zhì)量的虧損轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，是質(zhì)量守恒在本質(zhì)是靜止質(zhì)量的虧損轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，是質(zhì)量守恒在核反應(yīng)中的客觀體現(xiàn)核反應(yīng)中的客觀體現(xiàn)HnH211011m1m2m3EE(1)試證明，試證明，1原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位u相當(dāng)于相當(dāng)于931.50 MeV的能的能量量1u=1.660610-27kg，光速，光速c=2.9979108m/s，1eV=1.602210-19J證明證明：由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程 E=mc2 得得1u對(duì)應(yīng)能量為對(duì)應(yīng)能量為E=mc2= 1.660610-27(2.9979108) 2J=

15、 1.4924 10-10 J= (1.4924 10-10 /1.602210-19)eV= 931.50 106 eV= 931.50 MeV中釋放出多少能量？并求出一個(gè)鈾衰變過(guò)程）。寫(xiě)出核反應(yīng)方程，的原子量為（粒子）時(shí)，釋放出（原子量為）衰變?yōu)椋ㄔ恿繛?026. 40287.2280372.232. 3422289023592HeThU 公式公式 E=E= mm c c2 2 的單位問(wèn)題的單位問(wèn)題國(guó)際單位國(guó)際單位: m用用“kg” C用用“m/s” E E用用“ “J”J”常用單位常用單位: m用用“u(原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位)” 1u=1.66056610-27kg 1u1u相當(dāng)于

16、相當(dāng)于931MeV 931MeV 例：例： m=0.0042u E=0.0042 931MeV =3.9102MeV ( (表示表示1u 1u 的質(zhì)量變化相當(dāng)于的質(zhì)量變化相當(dāng)于931MeV931MeV的能量改變的能量改變) ) 目標(biāo)檢測(cè)目標(biāo)檢測(cè)1、關(guān)于核力的說(shuō)法正確的是、關(guān)于核力的說(shuō)法正確的是 （ ）A、核力存在于任何核子之間、核力存在于任何核子之間B、核力只存在于相鄰的核子之間、核力只存在于相鄰的核子之間C、核力與萬(wàn)有引力性質(zhì)相同、核力與萬(wàn)有引力性質(zhì)相同D、核力是一種短程的強(qiáng)作用力、核力是一種短程的強(qiáng)作用力B、D考查點(diǎn)：核力的性質(zhì)考查點(diǎn)：核力的性質(zhì) 目標(biāo)檢測(cè)目標(biāo)檢測(cè)2、聯(lián)合國(guó)將、聯(lián)合國(guó)將20

17、05年定為年定為“國(guó)際物理年國(guó)際物理年”，以紀(jì)，以紀(jì)念?lèi)?ài)因斯坦對(duì)物理學(xué)的巨大貢獻(xiàn)。對(duì)于愛(ài)因斯念?lèi)?ài)因斯坦對(duì)物理學(xué)的巨大貢獻(xiàn)。對(duì)于愛(ài)因斯坦提出的質(zhì)能方程坦提出的質(zhì)能方程E=mc2，下列說(shuō)法中正確的，下列說(shuō)法中正確的是（是（ )A、E=mc2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、 E=mc2中的中的E表示發(fā)生核反應(yīng)過(guò)程中釋放的表示發(fā)生核反應(yīng)過(guò)程中釋放的核能核能C、 根據(jù)根據(jù)E= mc2 可以計(jì)算核反應(yīng)中釋放的可以計(jì)算核反應(yīng)中釋放的核能核能D、 E= mc2 表示發(fā)生的質(zhì)量虧損表示發(fā)生的質(zhì)量虧損 m轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)變成為能量為能量 E釋放出來(lái)釋放出來(lái)A、C3、當(dāng)氘核和氚核聚合成氦

18、核時(shí)會(huì)釋放大量能量，、當(dāng)氘核和氚核聚合成氦核時(shí)會(huì)釋放大量能量，設(shè)氘核的質(zhì)量為設(shè)氘核的質(zhì)量為m1，氚核的質(zhì)量為，氚核的質(zhì)量為m2，氦核的，氦核的質(zhì)量為質(zhì)量為m3,中子的質(zhì)量為中子的質(zhì)量為m4,則反應(yīng)過(guò)程中釋放的則反應(yīng)過(guò)程中釋放的能量為：能量為： （ ） 目標(biāo)檢測(cè)目標(biāo)檢測(cè)2321)(cmmm2421)(cmmm24321)(cmmmm22143)(cmmmmA、C、D、B、CnHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH1042

19、2121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10422121nHeHH10423121核反應(yīng)方程為：核反應(yīng)方程為：2mcE 目標(biāo)檢測(cè)（拓展）目標(biāo)檢測(cè)（拓展）4、一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子聚變結(jié)合成一個(gè)氘核，、一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子聚變結(jié)合成一個(gè)氘核，同時(shí)輻射一個(gè)同時(shí)輻射一個(gè)光子。已知質(zhì)子、中子、氘核的光子。已知質(zhì)子、中子、氘核的質(zhì)量分別為質(zhì)量分別為m m1 1、m m2 2、m m3 3，普朗克常數(shù)為，普朗克常數(shù)為h h，真空中，真空中的光速為的光速為c c，下列說(shuō)法正確的是，下列說(shuō)法正確的是（ ）A A、核反應(yīng)方程是、核反應(yīng)方程是HnH3110112)321(cmmmhD、 光子的波長(zhǎng)光子的波長(zhǎng)C、輻射出的、輻射出的光子的能量光子的能量 E=（m3-m1-m2)c2B、聚變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損、聚變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損m=m1+m2-m3B 小結(jié)小結(jié)1、核子之間的強(qiáng)相互作用力叫、核子之間的強(qiáng)相互作用力叫_。主要。主要特點(diǎn)是特點(diǎn)是_,_.2、當(dāng)核子結(jié)合成原子核時(shí)要、