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第五章 原子核
第3節(jié) 核力與結(jié)合能
1.知道四種基本相互作用，知道核力的性質(zhì)。
2.認(rèn)識原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能的概念。
3.能用質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程計算核能相關(guān)的問題。
思考：
原子核是由中子和質(zhì)子構(gòu)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(zhì)子緊緊地束縛在一起而不飛散開呢？自然界存在著幾種基本相互作用呢？
1.定義：能夠把核中的各種核子聯(lián)系在一起的強大的力叫做核力。
2.核力的特點：
⑵核力是短程力。
⑶核力與電荷無關(guān)。
⑷核力具有飽和性。
⑴核力是強相互作用（強力）的一種表現(xiàn)。
一、核力與四種基本相互作用
（1）萬有引力：引力主要在宏觀和宇宙尺度上“獨領(lǐng)風(fēng)騷”。是引力使行星繞恒星轉(zhuǎn)動，并且聯(lián)系著星系團，決定了宇宙的現(xiàn)狀和未來。
（3）強相互作用：在原子核內(nèi)，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(jié)合成分子，使分子結(jié)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(yuǎn)的距離，當(dāng)然距離越遠(yuǎn)，力就越小
3.四種基本相互作用
（4）弱相互作用
在某些放射現(xiàn)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(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。
短程力：約在10-18m量級時起作用
一切物體之間
隨距離增大而減弱
長程力，宏觀
重力
電荷間、電流間、磁體間
引力相互作用
長程力，宏觀
彈力、摩擦力
組成原子核的核子之間
距離增大時，急劇減小
短程力，微觀
核力
基本粒子之間
距離增大時，急劇減小，比強相互作用小得多
基本粒子間的力
短程力，微觀
引起原子核β衰變的原因
1.結(jié)合能：原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能。
結(jié)合能并不是由于核子結(jié)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。
結(jié)合能越大原子核是不是越難被拆散？即：結(jié)合能的大小能不能反映原子核的穩(wěn)定程度？
如何才能反映原子核的穩(wěn)定程度？
二、結(jié)合能
2.比結(jié)合能：
原子核的結(jié)合能與其核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能。也叫作平均結(jié)合能。
意義：比結(jié)合能越大，原子核就越穩(wěn)定，表示該核就越穩(wěn)定。中等大小的核的比結(jié)合能最大，結(jié)合得最穩(wěn)定。
理解：核子結(jié)合成原子核時，平均每個核子所釋放的結(jié)合能，它也等于把原子核拆散成每個核子時，外界提供給每個核子的平均能量。
比結(jié)合能
結(jié)合能
核子數(shù)
=
結(jié)合能
把原子核分成核子時吸收的能量或核子結(jié)合成原子核時放出的能量
比結(jié)合能
等于原子核的結(jié)合能與原子核中核子個數(shù)的比值，它反映了原子核的穩(wěn)定程度
比結(jié)合能曲線
從圖中可看出，中等大小的核
的比結(jié)合能最大，輕核和重核
的比結(jié)合能都比中等大小的核
的比結(jié)合能要小
原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化
三、質(zhì)量虧損
所謂質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消失，減少的質(zhì)量在核子結(jié)合成核的過程中以能量的形式輻射出去了。反過來，把原子核分裂成核子，總質(zhì)量要增加，總能量也要增加，增加的能量要由外部供給。
總之，物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，它們之間的關(guān)系就是：
E = mc2
愛因斯坦質(zhì)能方程
ΔE=Δmc2
質(zhì)量變化時，表達(dá)式為：
Δm為核反應(yīng)前和核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損，質(zhì)量虧損Δm的單位為kg。
對質(zhì)量虧損理解
（1）在核反應(yīng)中仍遵守質(zhì)量守恒和能量守恒，所謂的質(zhì)量虧損并不是這部分質(zhì)量消失或質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰俊Ｎ矬w的質(zhì)量應(yīng)包括靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量，質(zhì)量虧損是靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量相聯(lián)系的運動質(zhì)量。
（2）質(zhì)量虧損也不是核子個數(shù)的減少，核反應(yīng)中核子個數(shù)是不變的。
核能的計算方法
根據(jù)質(zhì)量虧損計算：
(1)根據(jù)核反應(yīng)過程，計算核反應(yīng)前和核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損Δm.
(2)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2計算核能.
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(zhì)量單位u，則可用ΔE＝Δm×931.5 MeV計算，即用質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5 MeV.(1 u相當(dāng)于931.5 MeV)

【例題】已知中子的質(zhì)量mn為1.6749×10-27 kg，質(zhì)子的質(zhì)量mp為1.6726 × 10-27 kg，氘核的質(zhì)量mD為3.343 6 × 10-27 kg，求氘核的比結(jié)合能。
單個的質(zhì)子 與中子的質(zhì)量之和為
這個數(shù)值與氘核質(zhì)量之差
與這個質(zhì)量差相對應(yīng)的能量為
????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，能量單位常常使用電子伏特(eV)，即
所以，氘核的結(jié)合能是
氘核的比結(jié)合能為
1eV=1.60×10?19J
?
?????=3.51×10?131.60×10?19eV=2.19×106eV=2.19MeV
?
2.19MeV?2=1.10MeV
?
1.下列對核力的認(rèn)識正確的是 ( )
A.任何物體之間均存在核力
B.核力廣泛存在于自然界中的核子之間
C.核力只存在于質(zhì)子之間
D.核力是一種強相互作用力
D
2.下列關(guān)于結(jié)合能和比結(jié)合能的說法中,正確的有(　　)
A.核子結(jié)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(jié)合能
B.比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,因此它的結(jié)合能也一定越大
C.重核與中等質(zhì)量原子核相比較,重核的結(jié)合能和比結(jié)合能都大
D.中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能均比輕核的要大
D

3.下列有關(guān)質(zhì)能方程的說法中，正確的是（ ）
A.愛因斯坦質(zhì)能方程反映了物體的質(zhì)量就是能量，它們之間可以相互
轉(zhuǎn)化
B.由E＝mc2可知，能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系，可以用物體的質(zhì)
量作為它所蘊藏的能量的量度
C.核反應(yīng)中發(fā)生的“質(zhì)量虧損”是消失的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?
D.因為在核反應(yīng)中產(chǎn)生能量，有質(zhì)量的轉(zhuǎn)化，所以系統(tǒng)只有質(zhì)量數(shù)守恒、
系統(tǒng)的總能量和總質(zhì)量并不守恒
B

4.一個鋰核(37????????)受到一個質(zhì)子的轟擊，變成兩個α粒子.已知質(zhì)子的質(zhì)量是1.672 6×10－27 kg，鋰核的質(zhì)量是11.6505×10－27 kg，氦核的質(zhì)量是6.646 6×10－27 kg，光速c＝3×108 m/s.
(1)寫出上述核反應(yīng)的方程；(2)計算上述核反應(yīng)釋放的能量.
?
解析　
核反應(yīng)的質(zhì)量虧損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
釋放的能量
ΔE＝Δmc2＝2.99×10－29×(3×108)2 J＝2.691×10－12 J.
37????????+11????→224?????????
?
核力與結(jié)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(jié)合能
質(zhì)量虧損：質(zhì)能方程 E=mc2
比結(jié)合能
核能的計算

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