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3. 核力與結合能
人教版（2019）物理（選擇性必修第三冊）
第五章 原子核
目錄
素養目標
01
課程導入
02
新課講解
03
總結歸納
04
課堂練習
05
正確教育
素養目標
1.知道四種基本相互作用，知道核力的性質
2.認識原子核的結合能和比結合能的概念
3.能用質量虧損和質能方程計算核能相關的問題
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？
正確教育
核力與四種基本相互作用
核力
③核力具有飽和性。核子只對相鄰的少數核子產生較強的引力，而不是與核內所有核子發生作用。
④核力具有電荷無關性。對給定的相對運動狀態，核力與核子電荷無關。
②核力是短程力。約在 10-15m量級時起作用，距離大于0.8×10-15m時為引力， 距離為10×10-15m時核力幾乎消失，距離小于0.8×10-15m時為斥力。
① 核力是四種相互作用中的強相互作用（強力）的一種表現。
能夠把核中的各種核子聯系在一起的強大的力叫做核力。
四種基本相互作用
引力相互作用
電磁相互作用
強相互作用
弱相互作用
引力相互作用
引力是自然界的一種基本相互作用，地面物體所受的重力只是引力在地球表面附近的一種表現。
視頻：引力波
電磁相互作用
電荷間與磁體間的相互作用
宏觀物體之間的壓力、拉力、彈力、支持力等等，都起源于這些電荷之間的電磁相互作用。
彈力
強相互作用
原子核中的核子之間存在一種很強的相互作用，即存在一種核力，它使得核子緊密地結合在一起，形成穩定的原子核。
p
n
n
p
p
n
短程力：約在10-15 m量級時起作用
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---質子轉變的原因。
短程力（弱相互作用）：約在10-18 m量級時起作用
四種基本相互作用按強度來排列，順序是：強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用
盡管四種相互作用存在巨大的差別，物理學家們在努力尋求力的統一。近年來，在弱作用和電磁作用的統一方面，已經取得成功。
實驗已經證明：正如電和磁是電磁作用的兩種不同表現一樣，弱作用和電磁作用也只不過是統一的弱電相互作用的兩種不同表現而已。弱電統一的成就促進了強、電、弱三種作用統一起來的大統一的研究。
四種基本相互作用的比較
1.(多選)對于核力，以下哪些說法是正確的(　　)
A．核力是弱相互作用，作用力很小
B．核力是強相互作用，是強力
C．核子之間的距離小于0.8×10－15 m時，核力表現為斥力，因此核子不會融合在一起
D．人們對核力的了解很清楚，特別是在小于0.8×10－15 m時，核力的變化規律更清楚
經典例題
BC
答案：BC
解析：核力是強相互作用的一種表現，它的作用范圍在1.5×10－15 m之內，選項B正確，A錯誤；核力在大于0.8×10－15 m時，表現為吸引力，且隨距離增大而減小，在距離小于0.8×10－15 m時，核力表現為斥力，因此核子不會融合在一起，選項C正確；人們對核力的了解還不是很清楚，這是科學家們奮斗攻克的堡壘，故D項錯誤．
正確教育
核能
思考討論：如圖氦原子核是由兩個質子和兩個中子憑借核力結合在一起的，要把它們分開，需要吸收能量。反過來，4個核子結合成氦原子核要放出能量。
那么，把核子分開需要的能量與核子結合放出的能量有什么關系
由于核子間存在著強大的核力，所以核子結合成原子核或原子核分解為核子時，都伴隨著巨大的能量變化
結合能
原子核分解成核子時所吸收的能量。
吸收 27.386 MeV
吸收 2.2 MeV
注意：結合能并不是由于核子結合成原子核而具有的能量，
而是為把核子分開而需要的能量
思考：如果結合能越大，就說明把原子核分開，所需要的能量越大，是不是就意味著原子核越穩定嗎？
原子核越大
→核子個數越多
平均到每一個核子的結合能大小來反應原子核的穩定性。
→結合能越大
結合能
核子數
比結合能=
比結合能
原子核的結合能與其核子數之比，稱為比結合能.
也叫平均結合能。
由圖可知，中等質量原子核的比結合能大，原子核比較穩定，輕核和重核的比結合能都比中等質量的原子核小。
比結合能越大，原子核越穩定
比結合能與原子核穩定的關系
①比結合能的大小能夠反映原子核的穩定程度，比結合能越大，原子核就越難拆開，表示該原子核就越穩定。
②核子數較小的輕核與核子數較大的重核，比結合能都比較小，表示原子核不太穩定；中等核子數的原子核,比結合能較大，表示原子核較穩定。
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。
2.下列關于結合能和比結合能的說法中，正確的有(　 　)
A．核子結合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量稱為結合能
B．比結合能越大的原子核越穩定，因此它的結合能也一定越大
C．重核與中等質量原子核相比較，重核的結合能和比結合能都大
D．中等質量原子核的結合能和比結合能均比輕核的要大
經典例題
D
答案：D
解析：核子結合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，A選項錯誤；比結合能越大的原子核越穩定，但比結合能越大的原子核，其結合能不一定大，例如中等質量原子核的比結合能比重核大，但由于核子數比重核少，其結合能比重核反而小，B、C選項錯誤；中等質量原子核的比結合能比輕核的大，它的原子核內核子數又比輕核多，因此它的結合能也比輕核大，D選項正確．
正確教育
質量虧損
質量虧損
原子核的質量小于組成它的核子的質量之和，這個現象叫作質量虧損。質量虧損表明，的確存在著原子核的結合能。
原子核
能量
質量虧損
光
中子
質子
原子核的結合能很難直接測量。幸好，愛因斯坦已經給我們指出了物體的能量與它的質量的關系，即
E = mc2
質子：mp=1.6726×10-27kg
中子：mn=1.6749×10-27kg
結合時的質量差
→結合能
質量變化時，表達式為：△E = △mc2
氘核：mD=3.343×10-27kg
試著計算一下氘核的結合能
愛因斯坦質能方程
用質能方程ΔE＝Δmc2計算質量虧損對應的能量．
①若Δm 的單位是千克，則需要將c＝3×108 m/s代入，計算得到的ΔE 的單位為焦耳．
②若Δm 的單位是原子質量單位u，則可用ΔE＝Δm×931.5 MeV計算，即用質量虧損的原子質量單位數乘以931.5 MeV. (1 u = 931.5 MeV/C2)
例 已知中子的質量mn為1.6749x10-27 kg,質子的質量mp為1.6726 x10-27 kg，氘核的質量mD為3.343 6x 10-27 kg，求氘核的比結合能。
解：一個質子和一個中子結合成氘核
單個質子和單個中子的質量和為
mp+mn=（1.6726+1.6749）×10-27kg=3.3475×10-27kg
這個數值與氘核質量之差
（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
氘核的比結合能為
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
第一、 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。
第二、 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。
第三、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(動質量，因此質量守恒定律不被破壞。
有關問題的理解和注意事項
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．
3.質子、中子和氘核的質量分別為m1、m2和m3，當一個質子和一個中子結合成氘核時，釋放的能量是(c 表示真空中的光速)(　 　)
A．(m1＋m2－m3)c B．(m1－m22－m3)c
C．(m1＋m2－m3)c2 D．(m1－m2－m3)c2
經典例題
C
答案：C
解析：根據質能方程ΔE＝Δmc2知，核反應過程中釋放的能量等于質量的減少量與光速c的二次方的乘積，故選項C正確．
核力與結合能
核力與四種基本相互作用
核力的定義、特點
四種基本相互作用
結合能
質量虧損：質能方程 E=mc2
比結合能
核能的計算方法
下列說法中正確的是(　 　)
A．原子核內的所有質子間都存在核力和庫侖力
B．對質子數較多的原子核，其中的中子起到維系原子核穩定的作用
C．重核比中等質量的核更穩定
D．兩個質子之間不管距離如何，核力總大于庫侖力
B
答案：B
解析：只有相鄰質子間才存在核力，A、D錯誤；中子與其他核子間沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，起到維系原子核穩定的作用，B正確；中等質量大小的核最穩定，C錯誤．
如圖，原子核的平均核子質量A與原子序數Z的關系圖像，下列說法正確的是(　 　)
A．若D、E能結合成F，結合過程一定會釋放能量
B．若D、E能結合成F，結合過程一定會吸收能量
C．若C、B能結合成G，結合過程一定會釋放能量
D．若F、C能結合成B，結合過程一定會釋放能量
A
答案：A
解析：由ΔE＝Δmc2可知，釋放能量時生成物比反應物質量小，反之則大．根據題圖可知，D、E結合成F，核子數不變，質量減少，釋放能量，A選項正確．
(多選)中子和質子結合成氘核時，質量虧損為Δm，相應的能量ΔE＝Δmc2＝2.2 MeV是氘核的結合能．下列說法正確的是(　 　)
A．用能量小于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時，氘核不能分解為一個質子和一個中子
B．用能量等于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時，氘核可能分解為一個質子和一個中子，它們的動能之和為零
C．用能量大于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時，氘核可能分解為一個質子和一個中子，它們的動能之和為零
D．用能量大于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時，氘核可能分解為一個質子和一個中子，它們的動能之和不為零
AD
答案：AD
解析：中子和質子結合時放出的能量為2.2 MeV，所以要使氘核分解為中子和質子至少也需要2.2 MeV的能量，所以A正確；因為動能為標量，氘核分解為中子和質子時，二者不可能都是靜止的，所以動能之和不為零，這一部分動能來自于光子的能量，所以B、C錯誤，D正確．
太陽因核聚變釋放出巨大的能量，同時其質量不斷減少．太陽每秒鐘輻射出的能量約為4×1026 J，根據愛因斯坦質能方程，太陽每秒鐘減少的質量最接近(　 　)
A．1036 kg B．1018 kg
C．1013 kg D．109 kg
D
(多選)關于原子核的結合能，下列說法正確的是(　 　)
A．原子核的結合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量
B．一重原子核衰變成α粒子和另一原子核，衰變產物的結合能之和一定大于原來重核的結合能
C．銫原子核( )的結合能小于鉛原子核( )的結合能
D．自由核子組成原子核時，其質量虧損所對應的能量大于該原子核的結合能
ABC
答案：ABC
解析：結合能是把核子分開所需的最小能量，選項A正確；一重原子核衰變成α粒子和另一原子核，衰變產物的結合能之和一定大于原來重核的結合能，選項B正確；核子數越多，結合能越大，選項C正確；自由核子組成原子核時，其質量虧損所對應的能量等于該原子核的結合能，選項D錯誤．
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