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§3 核力與結合能
高二物理（人教版2019）
選擇性必修 第三冊
第五章 原子核
學習目標：
1、核力與四種基本相互作用
2、結合能與比結合能
3、質量虧損與核能的計算
問題與思考：
原子核是由中子和質子構成的。在原子核那樣狹小的空間里，是什么力量把帶正電的質子緊緊地束縛在一起而不飛散開呢？
新課引入
定義：能夠把核中的各種核子聯系在一起的強大的力叫做核力。
核力的特點：
⑵核力是短程力。
⑶核力與電荷無關。
⑷核力具有飽和性。
1、核力：
⑴核力是強相互作用（強力）的一種表現。
（1）萬有引力：引力主要在宏觀和宇宙尺度上“獨領風騷”。是引力使行星繞恒星轉動，并且聯系著星系團，決定了宇宙的現狀和未來。
（3）強相互作用：在原子核內，強力將核子束縛在一起。
（2）電磁力：在原子核外，電磁力使電子和原子核結合成分子，使分子結合成液體與固體。電磁力和萬有引力都是“長程力”，即它們可以作用到無限遠的距離，當然距離越遠，力就越小
（4）弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β衰變的原因，即引起中子－質子轉變的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強力更短，為10－18m，作用強度則比電磁力小。
一、核力與四種基本相互作用
2.四種基本相互作用
新課講授
3.弱相互作用
在某些放射現象中起作用的另一種基本相互作用
弱相互作用是引起原子核β衰變的原因，即引起中子一質子轉變的原因。
短程力：約在10-18m量級時起作用
思考與討論：
一個小鐵球在磁鐵的引力作用下不斷靠近，最終被磁鐵吸住。
情景1：
兩物體為了結合需要付出一定的代價即損失一部分的能量
放出能量
吸收能量
結合能
消耗一定的能量才能將其分開
類比
原子核分解成核子時所吸收的能量
1、結合能：
也是核子結合成原子核而釋放的能量
定義：原子核分解成核子時所吸收的能量
二、結合能與比結合能
溫馨提示：結合能不是原子核具有的能量
思考與討論：
1、核子數越多，原子核的結合能越大嗎？
2、結合能越大，原子核越穩定嗎？
組成原子核的核子數越多，結合能越大。
定義：原子核的結合能與核子數之比
2、比結合能：
（平均結合能）
比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩定。
比結合能
結合能
核子數
=
比結合能最高的是鎳-62。只不過鎳-62最終也會衰變成鐵元素，所以我們會習慣性地認為鐵元素的比結合能最高。
鐵（Fe）原子的比結合能最大
鐵（Fe）
原子比較穩定
原子核的比結合能隨質量數的變化曲線（實驗數據）
比結合能
核子的平均結合能隨質量數的變化
z
思考與討論：
較輕的核D與E聚合成中等大小的核F的過程中是反應物的結合能________(填“<”或“>”或“=”）生成物的結合能，________(填“吸收”或“放出”)能量？
<
放出
比結合能
核子的平均結合能隨質量數的變化
z
較重的核A分裂成中等大小的核B與C的過程中是反應物的結合能________(填“<”或“>”或“=”）生成物的結合能，________(填“吸收”或“放出”)能量？
<
放出
(1)結合能大的原子核，比結合能不一定大，結合能小的原子核，比結合能不一定小。
(2)中等大小核的比結合能最大、原子核最穩定。
(3)當比結合能較小的原子核轉化成比結合能較大的原子核時，就可能釋放核能。例如，一個核子數較大的重核分裂成兩個核子數小一些的核，或者兩個核子數很小的輕核結合成一個核子數大一些的核，都能釋放出巨大的核能。
　
特別提醒
核子結合成原子核時要放出一定能量；原子核分解成核子時，要吸收同樣的能量。這個能量有多大？我們可能計算出來嗎？
三、質量虧損
已知中子的質量是mn=1.6749×10-27kg，質子的質量是mp=1.6726×10-27kg，但其結合成的氘核的質量卻是mD=3.3436×10-27kg。自由核子結合成原子核的過程中質量如何變化？
情景2：
mn+mp>mD
質量虧損
質量虧損是否違背質量守恒定律？
物體的能量和質量之間存在密切的聯系，他們的關系是：
核子在結合成原子核時要放出能量，出現質量虧損，大小為：
質能方程
E＝mc2
ΔE＝Δmc2
質能方程ΔE= mc2 常用單位:
（1） m用“u(原子質量單位)”： 1u=1.660566×10-27kg
（2）ΔE用“uc2” ：1uc2=931.5MeV（931.5兆電子伏）
(表示1u 的質量變化相當于931.5MeV的能量改變)
已知中子的質量是mn=1.6749×10-27kg，質子的質量是mp=1.6726×10-27kg，氘核的質量是mD=3.3436×10-27kg，求氘核的比結合能.
解：一個質子和一個中子結合成氘核，
該過程中質量之差為
Δm=（mp+mn）-mD=（3.3475-3.3436）×10-27kg=0.0039×10-27kg
與這個質量差相對應的能量為
ΔE=Δmc2=0.0039×10-27×(3.00×108)2J=3.51×10-13J
例題1
核物理中，能量單位常使用電子伏特：1eV=1.60×10-19J，所以結合能是
氘核的比結合能為
思考1：將一個質子和一個中子結合成一個氘核，能量減小了，是否違反了能量守恒定律？為什么？
沒有違反能量守恒定律；減小的這部分能量以γ光子釋放出去。
思考2：將一個質子和一個中子結合成一個氘核，質量減小了，是否違反了質量守恒定律？為什么？
沒有違反質量守恒定律；減小的那部分質量等于γ光子的動質量。
思考討論
說明：
（1）質量不是能量、能量也不是質量，質量不能轉化能量，能量也不能轉化質量，質量只是物體具有能量多少及能量轉變多少的一種量度。
（2）核反應過程中，質量虧損時，核子個數不虧損(即質量數守恒),可理解為組成原子核后，核內每個核子仿佛“瘦了”一些。
（3） 質量虧損并非質量消失，而是減少的質量 m以能量形式輻射出去了
原子物理中常把碳12原子質量的1/12叫作“原子質量單位”，用1u表示（1u=1.6605×10-27kg）。請證明：1u相當于931.5MeV的能量。已知光速c為2.9979×108m/s，元電荷e為1.6022×10-19C。
例題2
解：ΔE=Δmc2=1.6605×10-27×(2.9979×108)2J=1.492×10-10J
1eV=1.602×10-19J
1u=931.5MeV
課堂小結
一 核力
二 結合能與比結合能
三 質量虧損：質能方程
定義
特點
比結合能越大，原子核越穩定
計算
質量虧損
核反應放出的能量
3、核反應過程中:
核子結合成原子核時,新核質量小于核子的質量(質量虧損),同時以 光子形式釋放核能;
原子核分解為核子時,需要吸收一定能量,核子的總質量大于原原子核的質量。
4、質能方程ΔE= mc2 常用單位:
（1） m用“u(原子質量單位)” 1u=1.660566×10-27kg
（2）ΔE用“uc2” 1uc2=931.5MeV（931.5兆電子伏）
(表示1u 的質量變化相當于931.5MeV的能量改變)

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