19.5核力与结合能（共39张ppt）

(共39张PPT)
核力与结合能
了解四种基本相互作用，知道核力的性质
认识原子核的结合能及质量亏损，并能应用质能方程进行计算
能简单解释重核和轻核内中子数、质子数具有不同比例的原因
教学目标
复习引入
原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子。
中子不带电，质子带正电，因此质子间存在着巨大的库仑斥力，那么在原子核那样狭小的空间里，为什么质子没有被排斥开，反而还紧紧的结合
在一起呢？
提出问题：
猜想：
难道是？
万有引力
质子相互间距r的数量级为10-15m；质子质量m的数量级为10-27kg，质子电量e的数量级为10-19C；万有引力常量G的数量级为10-11，静电力常量k的数量级为109。估算库仑力与万有引力之比？
解：
原子核中的质子要靠自身的万有引力来抗衡相互间的库仑力是不可能的。
在核子之间一定存在着第三种力，使核子能紧密的结合在一起。
复习引入
分析论证：
结论：
再猜想：
核力
核力
mp
mp
库仑力
库仑力
万有引力
万有引力
核力
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
He的原子核
库仑力
核力
核力
核力具有怎样的特点呢？
核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现
核力是短程力。约在?
?
?
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?
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量级时起作用，距离大于?
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时为引力，
距离为?
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时核力几乎消失，距离小于?
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?时为斥力。
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。
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。
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。
He的原子核
库仑力
核力
核力
除核力外原子核内还存在弱相互作用（弱力）
弱力是引起中子－质子转变（?
?衰变）的原因
弱相互作用也是短程力，力程比强力更短，为
作用强度则比电磁力小
弱相互作用
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。
电磁力：
在原子核外，电磁力使电子结合成分子，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
强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。
弱相互作用：
弱相互作用是引起原子核?
?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，为?
?
?
?
?
?
，作用强度则比电磁力小。
四种基本相互作用
四种基本相互作用
短程力
长程力
弱相互作用
强相互作用
引起?
?
衰变的原因
在原子核内将核子束缚在一起
电磁力
万有引力
在原子核外，使电子不脱离原子核形成原子，使原子结合成分子，使分子组成固体和液体
在宏观尺度上“独领风骚”
在不同尺度上发挥作用
四种基本相互作用
质量数
（核）电荷数
核电荷数＝质子数
轻核：排在周期表比较靠前的元素对应的原子核
重核：排在周期表比较靠后的元素对应的原子核
随着原子序数的增大，质子数与中子数有什么关系？
原子核中的质子数又称为原子序数
元素符号
稳定的轻核（原子序数小于20）的质子数和中子数有何特点？
（氘核）
（氦核）
（碳核）
（氧核）
自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等
稳定核的质子数与中子数的关系
质子数
中子数
原子核中质子数和中子数的关系
实际存在的原子核
理想的质子数和中子数相等的稳定原子核
（钍核)
（铀核）
对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差就越大
稳定核的质子数与中子数的关系
质子数
中子数
原子核中质子数和中子数的关系
实际存在的原子核
理想的质子数和中子数相等的稳定原子核
稳定的重核（原子序数大于20）的质子数和中子数有何特点？
自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多。
为什么会这样呢？
稳定核的质子数与中子数的关系
质子数
中子数
原子核中质子和中子的比例
实际存在的原子核
理想的质子数和中子数相等的稳定原子核
原因分析：
原子核中质子和中子的比例
核越大，核子间距离增大
库仑力与核力均减少，但核力减少快
增大到一定程度时，核力较少，不足以平衡库仑力时，原子核会不稳定。
若增加中子，与其它核子无库仑力，但有核力，有助于原子核稳定
稳定的重原子核里，中子数要比质子数多
中子
质子
若不断增大原子核中的中子数，能不断增大原子核吗？为什么？
不能
由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果我们继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。
原子核中质子和中子的比例
核力是短程力，即其作用范围是有限的，如果继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子也无济于事，这样的核必然是不稳定的，所以原子序数越大越不稳定。
在宇宙演化的进程中，各种粒子有机会进行各种组合，但那些不稳定的组合很快就瓦解了，只有200多种稳定的原子核长久地留了下来。
现在观察到的天然放射性元素，则正在瓦解之中。
原子核中质子和中子的比例
宏观模型
相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，
运动速度越来越大，引力势能转化为动能最后撞在一起，
动能变成它们的内能散失掉了。
两个物体为了结合而付出了代价——失去了一些能量，
如果要把它们分开，还要重新赋予它们这份能量
微观模型
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
类比分析：
要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、赋予光子等某种途径让它得到13.6eV的能量。?
这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能，不过通常把它叫做氢原子的电离能，而结合能一词只用在原子核中
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
当核子结合成原子核时要放出一定能量（2.22Mev)
原子核分解成核子时，吸收同样的能量（2.22Mev)
这个能量叫做原子核的结合能
注意：
结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是核子结合成原子核时所放出的能量或为把核子分开而需要的能量。
结合能
γ为光子，其能量≥2.2MeV，反应才能发生
自然，原子核越大，它的结合能越高。
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？
结合能的大小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？
结合能
平均结合能：
结合能与核子数之比，称做为平均结合能。也叫比结合能。
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，外界必须给每个核子的平均能量
意义：
它反映了一个原子核稳定程度
平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。
平均结合能
原子的比结合能随质量数的变化
平均结合能
中等大小的核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定
从图象上看，哪一种原子的比结合能更大？
铁（Fe）原子的比结合能最大
铁（Fe）原子比较稳定
核子结合成铁原子核或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大
两个比铁轻的原子核结合时，或比铁重的重核分裂时，都要放出能量
已知中子的质量是
平均结合能
质子的质量是
氘核的质量是
求氘核的比结合能。
解: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
已知中子的质量是
平均结合能
质子的质量是
氘核的质量是
求氘核的比结合能。
解:在核物理中，能量单位常常使用电子伏特：
所以，氘核的结合能是
氘核的比结合能为
核反应前后质量数是守恒的，那么反应前后原子核的总质量相等吗？
质子与中子结合成氘核前后总质量的差异
中子的质量?
质子的质量??
?
中子和质子的质量和?
?
氘核的质量?
?
可见，核反应前后，总质量并不相等！
质量差?
?
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。
核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm，与它们在互相结合过程中放出的能量是否存在某种对应关系呢？
质量亏损
物体的能量
物体的质量
真空中的光速
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
爱因斯坦质能方程
?
质能方程的理解：
一定的质量总是跟一定的能量相联系的。
具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，等于光速的平方与其质量之积
这里所说的总能量，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和
爱因斯坦质能方程
请计算核反应释放的能量
爱因斯坦的质能方程：E＝mc2
△m=
0.0039×10－27Kg
质量亏损:
△E=
△mc2
=
0.0039×10-27×(3×108)
2J
=
3.51×10-13
J
又1eV=
1.60×10-19
J
∴
△E
=
2.19×106
eV=
2.19
MeV
书上P81例题
质量亏损表明：原子核内的确存在着结合能。
核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm
比结合能为:
中等大小的核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。
核子的平均质量是：
原子核的质量
核子数
_____________
①物体具有的能量跟它的质量存在着简单正比关系
③物体的质量发生变化，相对应的能量也会变化
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
爱因斯坦质能方程
质能方程的理解：
判断下面说法是否正确，并说明理由
质量和能量是两个完全不同的概念，它们表征的对象不同，相互之间不能转化
质能方程揭示了质量与能量的不可分割性，方程建立了这两个属性在数值上的关系。绝不是这两个量相互转化
爱因斯坦质能方程的反思
由质能方程
，可推得
，这说明质量就是能量
质量可以转化为能量
核反应过程中：
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
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
对质量亏损的理解
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
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
核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释放或吸收的能量大好几个数量级.
当然，2.19MeV的能量的绝对数量并不算大，但这只是组成1个氘核所放出的能量．
如果组成的是
与之相对照的是，使1摩尔的碳完全燃烧放出的能量为
折合为每个碳原子在完全燃烧时放出的能量只不过4eV
若跟上述核反应中每个原子可能放出的能量相比，两者相差数十万倍．
对质量亏损的理解
个氘核时，放出的能量就十分可观了．
公式?
?
?
?
?
?
?
?
?的单位问题
碳原子质量的
叫做原子质量单位，用u表示。
请根据
证明：1u相当于931MeV。
证明：
碳原子的摩尔质量为M=12g/mol
所以一个碳原子质量为
所以
国际单位：?
??m用“kg”?
?
常用单位：?
?m用“u(原子质量单位)”
ΔE用“?
?
?
?
?”
表示1u
的质量变化相当于931MeV的能量改变
公式?
?
?
?
?
?
?
?
?的单位问题
C用“m/s”
ΔE用“J
”
从以下几个方面比较核反应与化学反应的相同和相异之处。
（1）它们各自涉及四种基本力中的哪一种？
（2）每种反应分别改变了或重新安排了什么？
问题与练习
（1）核反应涉及四种基本力中的强相互作用，化学反应涉及基本力中的电磁相互作用
（2）核反应改变了原子核，化学反应可以改变核外电子的排列，?
?从而改变分子结构
通常我们看到物体的能量发生变化时，为什么觉察不到物体质量发生的变化？
根据质能关系可知?
由于光速很大，我们通常看到的物体能量的变化量对应的质量的变化量很小，因此我们觉察不到质量发生变化
问题与练习