5.3 核力与结合能 课件 2023-2024学年高二物理人教版（2019）选择性必修3(共20张PPT)

(共20张PPT)
第3节 核力与结合能
第五章 原子核
原子核是由中子和质子构成的。
在原子核那样狭小的空间里，是什么力量把带正电的质子紧紧地束缚在一起而不飞散开呢？
1.知道四种基本相互作用，知道核力的性质。
2.认识原子核的结合能和比结合能的概念。
3.能用质量亏损和质能方程计算核能相关的问题。
知识点一：核力与四种基本相互作用
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。
要真正了解核子间的相互作用还要考虑核子的组成物—夸克的相互作用。
③核力具有饱和性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。
④核力具有电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。
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10×10-15m时核力几乎消失，距离小于0.8×10-15m时为斥力。
① 核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。
2.四种相互作用
(1)引力相互作用：引力主要在宏观和宏观尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕着恒星转,并且联系着星系团,决定着宇宙的现状。万有引力是长程力。
(2)电磁相互作用：电磁力在原子核外,电磁力使电子不脱离原子核而形成原子,使原子结合成分子,使分子结合成液体和固体。
(3)强相互作用：在原子核内,强相互作用将核子束缚在一起,强力是短程力。
(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,作用强度则比电磁力小。
p
n
n
四种基本相互作用按强度来排列，顺序是：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用
尽管四种相互作用存在巨大的差别，物理学家们在努力寻求力的统一。近年来，在弱作用和电磁作用的统一方面，已经取得成功。
实验已经证明：正如电和磁是电磁作用的两种不同表现一样，弱作用和电磁作用也只不过是统一的弱电相互作用的两种不同表现而已。弱电统一的成就促进了强、电、弱三种作用统一起来的大统一的研究。
3.四种基本相互作用的比较
1.下列说法不正确的是(　　)
A.核力是短程力,作用范围很小,只在邻近核子间发生
B.核力可能是引力,也可能是斥力。核力把核子紧紧束缚在核内,形成稳定的原子核,但又不会融合在一起
C.质子间、中子间、质子和中子之间都可能有核力
D.核力是一种弱相互作用力,在其作用范围内,核力比库仑力大得多
练一练
D
知识点二：结合能
思考讨论：如图氦原子核是由两个质子和两个中子凭借核力结合在一起的，要把它们分开，需要吸收能量。反过来，4个核子结合成氦原子核要放出能量。
那么，把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系
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
当光子能量等于或大于2.19MeV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2.19MeV的能量
原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，
也需要能量，这就是原子核的结合能。
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
1.结合能
n+H→H+γ
H+γ→H+n
结合能与核子数之比，称为比结合能。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。
猜想：结合能越大原子核是不是越难被拆散？
即：结合能的大小能不能反映原子核的稳定程度？
2.比结合能
(1)比结合能曲线
不同原子核的比结合能随质量数变化的图线如图所示。
从图中可看出,中等质量原子核的比结合能最大,轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小。
(2)比结合能与原子核稳定的关系
①比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度,比结合能越大,原子核就越难拆开,表示该原子核就越稳定。
②核子数较小的轻核与核子数较大的重核,比结合能都比较小,表示原子核不太稳定;中等核子数的原子核,比结合能较大,表示原子核较稳定。
③当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时,就可能释放核能。例如,一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核,或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核,都能释放出巨大的核能。
1.下列关于结合能和比结合能的说法中,正确的有(　　)
A.核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能
B.比结合能越大的原子核越稳定,因此它的结合能也一定越大
C.重核与中等质量原子核相比较,重核的结合能和比结合能都大
D.中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大
练一练
D
知识点二：质量亏损
1.质量亏损：
原子分解为核子时，质量增加；核子结合成原子核时，质量减少。原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，叫做质量亏损。
爱因斯坦质能方程 E=mc2
式中c是真空中的光速，m是物体的质量，E是物体的能量。
核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm，正表明它们在互相结合过程中放出了能量 ΔE=Δm·c2
国际单位: m用“kg” c用“m/s” ΔE用“J”
常用单位: m用“u(原子质量单位)” 1u=1.660566×10-27kg
ΔE用“uc2” 1uc2=931MeV (表示1u 的质量变化相当于931Me V的能量改变)
例 已知中子的质量mn为1.6749x10-27 kg,质子的质量mp为1.6726 x10-27 kg,氘核的质量mD为3.343 6x 10-27 kg，求氘核的比结合能。
解：一个质子和一个中子结合成氘核
单个质子和单个中子的质量和为
mp+mn=（1.6726+1.6749）×10-27kg=3.3475×10-27kg
这个数值与氘核质量之差
（mp+mn）-mD=（3.3475-3.3436）×10-27kg=0.0039×10-27kg
与这个质量差相对应的能量为
ΔE=Δmc2=0.0039×10-27×(3.00×108)2J=3.51×10-13J
氘核的比结合能为
核物理中，能量单位常使用电子伏特：1eV=1.60×10-19J，所以结合能是
第一、 核反应过程中，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。
第二、 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。
第三、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
核能的计算方法
(1)根据质量亏损计算
①根据核反应方程，计算核反应前、后的质量亏损Δm。
②根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能。
其中Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳。
(2)利用原子质量单位u和电子伏特计算
根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV。其中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV。
1.静止的氡核放出α粒子后变成钋核，α粒子动能为。若衰变放出的能量全部变为反冲核和α粒子的动能，真空中的光速为c，则该反应中的质量亏损为（　　）
A.·　　　B.0　　　C.·　　　D.·
练一练
C
核力与结合能
核力与四种基本相互作用
核力的定义、特点
四种基本相互作用
结合能
质量亏损：质能方程 E=mc2
比结合能
核能的计算方法