5.3 核力与结合能（20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。
思考：
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？自然界存在着几种基本相互作用呢？
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.核力的特点：
⑵核力是短程力。
⑶核力与电荷无关。
⑷核力具有饱和性。
⑴核力是强相互作用（强力）的一种表现。
一、核力与四种基本相互作用
（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。
（3）强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。
（2）电磁力：在原子核外，电磁力使电子和原子核结合成分子，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，当然距离越远，力就越小
3.四种基本相互作用
（4）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，即引起中子一质子转变的原因。
短程力：约在10-18m量级时起作用
一切物体之间
随距离增大而减弱
长程力，宏观
重力
电荷间、电流间、磁体间
引力相互作用
长程力，宏观
弹力、摩擦力
组成原子核的核子之间
距离增大时，急剧减小
短程力，微观
核力
基本粒子之间
距离增大时，急剧减小，比强相互作用小得多
基本粒子间的力
短程力，微观
引起原子核β衰变的原因
1.结合能：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。
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。
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？
如何才能反映原子核的稳定程度？
二、结合能
2.比结合能：
原子核的结合能与其核子数之比，称做比结合能。也叫作平均结合能。
意义：比结合能越大，原子核就越稳定，表示该核就越稳定。中等大小的核的比结合能最大，结合得最稳定。
理解：核子结合成原子核时，平均每个核子所释放的结合能，它也等于把原子核拆散成每个核子时，外界提供给每个核子的平均能量。
比结合能
结合能
核子数
=
结合能
把原子核分成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量
比结合能
等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比值，它反映了原子核的稳定程度
比结合能曲线
从图中可看出，中等大小的核
的比结合能最大，轻核和重核
的比结合能都比中等大小的核
的比结合能要小
原子核的比结合能随质量数变化
三、质量亏损
所谓质量亏损，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。反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给。
总之，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们之间的关系就是：
E = mc2
爱因斯坦质能方程
ΔE=Δmc2
质量变化时，表达式为：
Δm为核反应前和核反应后的质量亏损，质量亏损Δm的单位为kg。
对质量亏损理解
（1）在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒，所谓的质量亏损并不是这部分质量消失或质量转变为能量。物体的质量应包括静止质量和运动质量，质量亏损是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量。
（2）质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子个数是不变的。
核能的计算方法
根据质量亏损计算：
(1)根据核反应过程，计算核反应前和核反应后的质量亏损Δm.
(2)根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能.
①若Δm的单位是千克，则需要将c＝3×108 m/s代入，计算得到的ΔE的单位为焦耳.
②若Δm的单位是原子质量单位u，则可用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算，即用质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV.(1 u相当于931.5 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.下列对核力的认识正确的是 ( )
A.任何物体之间均存在核力
B.核力广泛存在于自然界中的核子之间
C.核力只存在于质子之间
D.核力是一种强相互作用力
D
2.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
D

3.下列有关质能方程的说法中，正确的是（ ）
A.爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互
转化
B.由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质
量作为它所蕴藏的能量的量度
C.核反应中发生的“质量亏损”是消失的质量转变为能量
D.因为在核反应中产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒、
系统的总能量和总质量并不守恒
B

4.一个锂核(37????????)受到一个质子的轰击，变成两个α粒子.已知质子的质量是1.672 6×10－27 kg，锂核的质量是11.6505×10－27 kg，氦核的质量是6.646 6×10－27 kg，光速c＝3×108 m/s.
(1)写出上述核反应的方程；(2)计算上述核反应释放的能量.
?
解析　
核反应的质量亏损Δm＝mLi＋mp－2mα
＝(11.650 5×10－27＋1.672 6×10－27－2×6.646 6×10－27) kg＝2.99×10－29 kg
释放的能量
ΔE＝Δmc2＝2.99×10－29×(3×108)2 J＝2.691×10－12 J.
37????????+11????→224?????????
?
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