5.3 核力与核能（共25张PPT）课件 2024-2025学年高二物理鲁科版（2019）选择性必修第三册

(共25张PPT)
第3节 核力与核能
第五章 原子核与核能
学习目标
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？
猜想：万有引力？
验证：质子间的电磁力是万有引力的1035倍
结论：核子不可能靠自身万有引力抗衡库仑斥力。
猜想：存在第三种力——核力，是核力把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。
一、核力与核的稳定性
1.核力：把原子核中的核子维系在一起的力，称为核力
2.力程：力的作用范围称为力程。
p
n
n
p
p
n
2.特点：
(1)核力是强相互作用的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多 。
(2)核力是短程力，约在10-15m 数量级时起作用。
(3)核力与电荷无关，核力与核子电荷无关。
(4)核力具有饱和性，每个核子只跟相邻的核子发生核力作用 。
(5)核素:具有一定质子数和中子数的原子核称为核素
3.核素图
稳定的核素几乎全落在一条曲线上,或紧靠曲线的两侧这个区域称为核素的稳定区。
①对于较轻的核,核素的稳定区与N=Z重合,说明N=Z的核素比较稳定。
②当N、Z增大到一定数值后,稳定区逐渐向N>Z的方向偏离。随着质子数的增加,稳定核素的中子数越来越大于质子数。
二、核力与四种基本相互作用
1. 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。
长程力
2. 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
长程力
3. 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
------核力
短程力
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
按由强到弱排列：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。
三、结合能与平均结合能
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？
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。
平均结合能
结合能
核子数
=
原子核的比结合能随质量数的变化曲线（实验数据）
1.中等大小的核比结合能最大
2.中等大小的核平均每个核子的
质量亏损最大
3.中等大小的核最稳定
物理学家研究质子、中子和氘核之间的质量关系发现：
中子
（mn）
质子
（mp）
精确的计算表明氘核的质量比中子和质子的质量之和要小一些．
质量亏损
〓
氘核
3.质量亏损
物体的能量和质量之间存在着某种联系：
爱因斯坦
物体的能量和质量之间存在密切的联系，他们的关系是：
核子在结合成原子核时要放出能量，出现质量亏损，大小为：
质能方程
物体质量，随着能量的变化，会发生变化。
核能的计算方法
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)
3.在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能全部转化为生成的新核和新粒子的动能。
例题：已知中子的质量mn＝1.6749×10-27kg，质子的质量mp＝1.6726×10-27kg，氘核的质量mD＝3.3436×10-27kg。写出中子、质子结合成氘核的核反应方程并求氘核的结合能。
核反应方程为
中子和质子结合成氘核的质量亏损
中子和质子结合成氘核释放的能量，即氘核的结合能：
核物理中常用eV作为能量单位，根据1eV＝1.60×10-19J，可得氘核的结合能
迁移：原子核的质量单位，通常会用原子质量单位u表示，1u＝1.6605×10-27kg。请证明质量亏损1u将释放931.5 MeV的核能。
钚核发生α衰变，其核衰变方程为 。已知钚核的质量为239.0522u，铀核的质量为235.0439u，氦核的质量为4.0026u。请根据上述结论，计算该衰变过程中释放的核能。
用eV作为能量单位
钚核发生α衰变过程质量亏损
1.(多选)关于核力,下列说法正确的是 (　　)
A.核力是一种特殊的万有引力
B.原子核内只有质子和质子间有核力作用,中子和中子之间、质子和中子之间没有核力作用
C.核力是原子核稳定存在的原因
D.核力是一种短程强力
CD
2.关于原子核的结合能，下列说法正确的是( )
A.原子核的结合能越大，原子核越稳定
B.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
C.自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能
D.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
BD
3.下列说法正确的是(　　)
A．爱因斯坦的质能方程说明了物体质量就是能量，它们之间可以相互转化
B．由质能方程可知，能量与质量之间存在正比关系，可以用物体的质量作为它所含有的能量的量度
C．核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转化成的
D．因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，系统的总能量不守恒
B
4.用速度大小为v的中子轰击静止的锂核(Li)，发生核反应后生成氚核和α粒子。生成的氚核速度方向与中子的速度方向相反，氚核与α粒子的速度之比为7∶8，中子的质量为m，质子的质量可近似看成m，光速为c。
⑴写出核反应方程；
⑵求氚核和α粒子的速度大小；
⑶若核反应过程中放出的核能全部转化为α粒子和氚核的动能，求出质量亏损。
结合能与平均结合能
引力相互作用
核力与结合能
四种基本相互作用
质量亏损：
质能方程E=mc2
电磁相互作用
强相互作用
弱相互作用
—核力
使得核子紧密地结合在一起的力
是短程力
概念：自由核子形成原子核所释放的能量，或者原子核重新分为自由核子，需要吸收的能量