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高二物理（人教版2019）
選擇性必修 第三冊
第五章 原子核
5.3 核力和結(jié)合能
CONTENTS
01
核力與四種基本相互作用
02
結(jié)合能
03
質(zhì)量虧損
04
目錄
典型例題
典例分析
猜想：難道是萬有引力？庫侖力？
F庫
中子
質(zhì)子
質(zhì)子相互間距r的數(shù)量級為10-15m；質(zhì)子質(zhì)量m的數(shù)量級為10-27kg，質(zhì)子電量e的數(shù)量級為10-19C；萬有引力常量G的數(shù)量級為10-11，靜電力常量k的數(shù)量級為109。估算庫侖力與萬有引力之比？
原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬有引力來抗衡相互間的庫侖力是不可能的。
在核子之間一定存在著第三種力，把核子束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核。
01
核力與四種基本相互作用
原子核
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。
核力的特點：
⑵核力是短程力。約在10-15m 數(shù)量級時起作用，距離大于0.8×10-15m時為引力, 距離為1.5×10-15m 時核力幾乎消失，距離小于 0.8×10-15m 時為斥力，因此核子不會融合在一起。
⑴核力是強相互作用（強力）的一種表現(xiàn)。在原子核尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多。
⑶核力與電荷無關(guān)。（核力與核子電荷無關(guān)）
⑷核力具有飽和性。每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，這種性質(zhì)稱之為核力的飽和性。
1. 核力
（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的距離，當(dāng)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(zhì)子轉(zhuǎn)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。
一、核力與四種基本相互作用
2.四種基本相互作用
（1）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(xiàn)。
2.四種基本相互作用
（2）電磁相互作用
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。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。
（3）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(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的原子核。
短程力：約在10-15m量級時起作用
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
（4）弱相互作用
02
結(jié)合能
原子核
相距很遠的兩個物體，由于萬有引力而相互接近，運動速度越來越大，引力勢能轉(zhuǎn)化為動能。最后撞在一起，一部分動能變成熱并散失掉了。兩個物體為了結(jié)合而付出了代價——失去了一些能量，如果要把它們分開，還要重新賦予它們能量。
宏觀現(xiàn)象：
要使基態(tài)氫原子電離，也就是要從氫原子中把電子剝離，需要通過碰撞、施加電場、讓氫原子吸收光子等途徑使它得到相應(yīng)的能量。
微觀現(xiàn)象：
γ為光子，其能量ε≥27.386MeV，反應(yīng)才能發(fā)生
γ為光子，其能量ε＝27.386MeV
把核子分開需要的能量與核子結(jié)合放出的能量相等。
分開氦原子核
核子結(jié)合成氦原子核
1. 結(jié)合能：核子結(jié)合成原子核時釋放的能量，或原子核分解成核子時吸收的能量，叫做原子核的結(jié)合能.
注意：組成原子核的核子越多，它的結(jié)合能越大。
2.比結(jié)合能：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，叫作比結(jié)合能，也叫作平均結(jié)合能。
注意：比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。
★★比結(jié)合能與原子核穩(wěn)定的關(guān)系：
(1)比結(jié)合能的大小能夠反映原子核的穩(wěn)定程度，比結(jié)合能越大，原子核就越難拆開，表示該原子核就越穩(wěn)定。
(2)核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，比結(jié)合能都比較小，表示原子核不太穩(wěn)定；中等核子數(shù)的原子核，比結(jié)合能較大，表示原子核較穩(wěn)定。
(3)當(dāng)比結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成比結(jié)合能較大的原子核時，就可能釋放核能。例如，一個核子數(shù)較大的重核分裂成兩個核子數(shù)小一些的核，或者兩個核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個核子數(shù)大一些的核，都能釋放出巨大的核能。
★★比結(jié)合能與原子核穩(wěn)定的關(guān)系：
(1)比結(jié)合能的大小能夠反映原子核的穩(wěn)定程度，比結(jié)合能越大，原子核就越難拆開，表示該原子核就越穩(wěn)定。
(2)核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，比結(jié)合能都比較小，表示原子核不太穩(wěn)定；中等核子數(shù)的原子核，比結(jié)合能較大，表示原子核較穩(wěn)定。
(1)結(jié)合能大的原子核，比結(jié)合能不一定大，結(jié)合能小的原子核，比結(jié)合能不一定小。
(2)核的大小與原子核穩(wěn)定的關(guān)系方面：中等大小核的比結(jié)合能最大、原子核最穩(wěn)定?！?br/>特別提醒
核子結(jié)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？
03
質(zhì)量虧損
原子核
愛因斯坦
物體的能量和質(zhì)量之間存在密切的聯(lián)系
核子在結(jié)合成原子核時要放出能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，大小為：
質(zhì) 能 方 程
物體質(zhì)量，隨著能量的變化，會發(fā)生變化。
1.愛因斯坦質(zhì)能方程：E＝mc2 （ΔE＝Δmc2）
E＝mc2
ΔE＝Δmc2
【例題】已知中子的質(zhì)量是mn=1.6749×10-27kg，質(zhì)子的質(zhì)量是mp=1.6726×10-27kg，氘核的質(zhì)量是mD=3.3436×10-27kg，求氘核的比結(jié)合能.
單個質(zhì)子和單個中子的質(zhì)量和為
mp+mn=（1.6726+1.6749）×10-27kg=3.3475×10-27kg
這個數(shù)值與氘核質(zhì)量之差
Δm ＝（mp+mn）-mD=（3.3475-3.3436）×10-27kg=0.0039×10-27kg
與這個質(zhì)量差相對應(yīng)的能量為
ΔE=Δmc2=0.0039×10-27×(3.00×108)2J=3.51×10-13J
氘核的比結(jié)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(jié)合能是
解析：
思考：將一個質(zhì)子和一個中子結(jié)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：將一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成一個氘核，質(zhì)量減小了，是否違反了質(zhì)量守恒定律？為什么？
沒有違反質(zhì)量守恒定律；減小的那部分質(zhì)量等于γ光子的動質(zhì)量。
說明：
(1) 質(zhì)量虧損表明原子核存在結(jié)合能
(2) 質(zhì)量不是能量、能量也不是質(zhì)量，質(zhì)量不能轉(zhuǎn)化能量，能量也不能轉(zhuǎn)化質(zhì)量，質(zhì)量只是物體具有能量多少及能量轉(zhuǎn)變多少的一種量度。
(3) 核反應(yīng)過程中，質(zhì)量虧損時，核子個數(shù)不虧損(即質(zhì)量數(shù)守恒), 可理解為組成原子核后，核內(nèi)每個核子仿佛“瘦了”一些。
(4) 質(zhì)量虧損并非質(zhì)量消失，而是減少的質(zhì)量 m以能量形式輻射出去了，因此質(zhì)量守恒定律不被破壞。
(1)物體的質(zhì)量包括靜止的質(zhì)量和運動的質(zhì)量.質(zhì)量虧損指的是靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量有關(guān)的運動質(zhì)量.
(2)核反應(yīng)中釋放的核能是由于核力做功引起的。
特別提醒
質(zhì)能方程ΔE= mc2 常用單位:
（1） m 用“u(原子質(zhì)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(zhì)量變化相當(dāng)于931.5MeV的能量改變)
2.原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)的變化曲線（實驗數(shù)據(jù)）
如果使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成中等大小的核，核子的比結(jié)合能都會增加，即核子將發(fā)生新的質(zhì)量虧損，釋放新的結(jié)合能。這些能量豈不是可以供人使用
核電站、原子彈
中等大小的核的比結(jié)合能最大（平均每個核子的質(zhì)量虧損最大），這些核最穩(wěn)定。
核子平均質(zhì)量
思維導(dǎo)圖
04
典例分析
原子核
『判一判』
(1)原子核中的質(zhì)子是靠自身的萬有引力聚在一起的。 (　　)
(2)核力是強相互作用力，在原子核的尺度內(nèi)，核力比庫侖力大多得。 (　　)
(3)在原子核的組成中，質(zhì)子數(shù)等于中子數(shù)。 (　　)
(4)原子核大到一定程度，原子核就不穩(wěn)定了。 (　　)
(5)組成原子核的核子越多，它的結(jié)合能就越高。 (　　)
(6)結(jié)合能越大，核子結(jié)合得越牢固，原子越穩(wěn)定。 (　　)
×　
√　
×　
√　
√　
×　
解析：
A
【例題】用速度大小為v的中子轟擊靜止的鋰核(Li)，發(fā)生核反應(yīng)后生成氚核和α粒子。生成的氚核速度方向與中子的速度方向相反，氚核與α粒子的速度之比為7∶8，中子的質(zhì)量為m，質(zhì)子的質(zhì)量可近似看成m，光速為c。
⑴寫出核反應(yīng)方程； ⑵求氚核和α粒子的速度大小；
⑶若核反應(yīng)過程中放出的核能全部轉(zhuǎn)化為α粒子和氚核的動能，求出質(zhì)量虧損。
解析：
1、關(guān)于核力的說法正確的是(　　)
A.核力同萬有引力沒有區(qū)別，都是物體間的作用
B.核力就是電磁力
C.核力是短程力，作用范圍在1.5×m之內(nèi)
D.核力與電荷有關(guān)
C
2、下列關(guān)于結(jié)合能和比結(jié)合能的說法正確的是(　　)
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
小試牛刀
3、(多選)對結(jié)合能、比結(jié)合能的認識，下列正確的是(　　)
A.一切原子核均具有結(jié)合能
B.自由核子結(jié)合為原子核時，可能吸收能量
C.結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定
D.比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定
AD
4、(2017·全國卷Ⅰ)大科學(xué)工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應(yīng)釋放的能量用來發(fā)電。氘核聚變反應(yīng)方程是：。已知的質(zhì)量為2.013 6 u， 的質(zhì)量為3.015 0 u，n的質(zhì)量為1.008 7 u，1 u＝931 MeV/c2。氘核聚變反應(yīng)中釋放的核能約為(　　)
A.3.7 MeV B.3.3 MeV
C.2.7 MeV D.0.93 MeV
B
小試牛刀
5、(多選)原子核的比結(jié)合能曲線如圖所示。根據(jù)該曲線，下列判斷正確的有(　　)
A.核的結(jié)合能約為14 MeV
B.He核比Li核更穩(wěn)定
C.兩個H核結(jié)合成He核時釋放能量
D.92U核中核子的平均結(jié)合能比Kr核中的大
BC
小試牛刀

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