5.3 核力与结合能（共23张PPT）课件 2024-2025学年高二物理人教版（2019）选择性必修3

第 五 章 原子核
第3节 核力与结合能
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。
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作用：原子核里的核子间存在相互作用的核力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核
1.核力
②特点：核力是强相互作用（强力）的一种表现；核力是短程力，作用范围只有约10-15 m；每个核子只跟邻近的核子发生核力作用
知识点一：核力与四种基本相互作用

2.四种基本相互作用
①核力为短程力
②在原子核尺度内，核力远大于库仑力
③核力只存在于核子之间，每个核子只跟临近的核子发生核力作用
引力相互作用
电磁相互作用
强相互作用
弱相互作用
3.核力特点
引力相互作用
引力是自然界的一种基本相互作用，地面物体所受的重力只是引力在地球表面附近的一种表现。
电磁相互作用
电荷间与磁体间的相互作用
宏观物体之间的压力、拉力、弹力、支持力等等，都起源于这些电荷之间的电磁相互作用。
弹力
强相互作用
原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。
p
n
n
p
p
n
短程力：约在10-15 m量级时起作用
弱相互作用
在某些放射现象中起作用的另一种基本相互作用
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。
短程力（弱相互作用）：约在10-18 m量级时起作用
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?
核子结合成原子核时放出的能量，或原子核分解成核子时所吸收的能量，都叫做原子核的结合能.
1.结合能：
原子核的结合能与其核子数之比，称为比结合能.
（1）比结合能越大，原子核越稳定.
2.比结合能：
（2）核子数较小的轻核和核子数较大的重核，比结合能都较小，中等核子数的原子核，比结合能较大，即这样的原子核比较稳定.
（3）当比结合能较小的原子核转化为比结合能较大的原子核时，就可释放核能。
由图可知，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小。
1.定义：组成原子核的核子的总质量与新原子核的质量只差，叫做核的质量亏损.
2.质能方程：原子核释放能量时，要产生质量亏损.物体的能量与质量之间存在着密切的联系，即
E=mc2
ΔE=Δmc2
或
知识点三：质量亏损
（3）在核反应中任然遵守能量守恒定律、质量守恒定律.
（4）质量是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度.
（2）质量亏损并不是这部分质量消失或转化为能量，只是静止质量减少.
（1）物体的质量包括静止的质量和运动的质量.质量亏损指的是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量.
3.说明：
4．质能方程与核能的计算
(1)对质能方程和质量亏损的理解
①质能方程
质能方程：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是E＝mc2。
②质量亏损
质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了。物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写为ΔE＝Δmc2。
(2)核能的计算方法
①根据质量亏损计算
a.根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损Δm。
b.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1u≈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。
【例题】已知中子的质量mn为1.6749×10-27 kg，质子的质量mp为1.6726 × 10-27 kg，氘核的质量mD为3.343 6 × 10-27 kg，求氘核的比结合能。
单个的质子 与中子的质量之和为
这个数值与氘核质量之差
与这个质量差相对应的能量为
????p+????n=1.6726+1.6749×10?27kg=3.3475×10?27kg
?
?????=????p+????n?????D=3.3475+3.3436×10?27kg=3.90×10?30kg
?
?????=?????????2=3.90×10?30×3.00×1082J=3.51×10?13J
?
解：
在核物理中，能量单位常常使用电子伏特(eV)，即
所以，氘核的结合能是
氘核的比结合能为
1eV=1.60×10?19J
?
?????=3.51×10?131.60×10?19eV=2.19×106eV=2.19MeV
?
2.19MeV?2=1.10MeV
?
1.氦原子核由两个质子与两个中子组成,这两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力,则三种力从大到小的顺序是 (　　)
A.核力、万有引力、库仑力 B.万有引力、库仑力、核力
C.库仑力、核力、万有引力 D.核力、库仑力、万有引力
D
2.(多选)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(55133Cs)的结合能小于铅原子核(82208Pb)的结合能
D.比结合能越大,原子核越不稳定
?
ABC
3.在研究原子核的衰变过程中，发现铀238发生衰变产生了新核钍234，其衰变方程为 ，下列判断正确的是( )
A.该衰变类型为β衰变
B.衰变方程满足质量数守恒，所以没有质量亏损
C.铀238的结合能大于钍234的结合能
D.铀238的比结合能大于钍234的比结合能
C
4.取质子的质量mp＝1.672 6×10－27 kg，中子的质量mn＝1.674 9×10－27 kg，α粒子的质量mα＝6.646 7×10－27 kg，光速c＝3.0×108 m/s。请计算α粒子的结合能。(计算结果保留两位有效数字)
解析：组成α粒子的核子与α粒子的质量差Δm＝(2mp＋2mn)－mα
结合能ΔE＝Δmc2
代入数据得ΔE＝4.3×10－12 J。
一 核力
二 结合能与比结合能
三 质量亏损：质能方程
定义
特点
比结合能越大，原子核越稳定
计算
质量亏损
核反应放出的能量