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第五章 原子核與核能
第3節 核力與核能
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？
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。
把原子核中的核子維系在一起的力，稱為核力
1.核力：
2.力程：
力的作用范圍稱為力程。
3.核力的特點：
（1）核力是短程力，只在2fm的范圍內起作用，不能延伸到另一個原子核(3fm)；1fm=10-15m
（2）當兩核子間的距離減小時，核力迅速小，到一定值時，核力表現為斥力；
（3）核力是一種強相互作用。
一、核力與核的穩定性
核素：指具有一定數目質子和一定數目中子的一種原子核
核素圖
穩定的核素
①穩定的核素幾乎都在一條曲線上，或靠緊曲線兩側。
②較輕的核素，N=Z；較重的核素N>Z，且越重差距越大。
為什么會這樣呢？
核子數越多，核越大，核力就會越小，且質子與電子的庫侖力越大，要穩定只有增多中子的數目來增大核力抵消庫侖力。
4.核的穩定性
二、四種基本相互作用
引力相互作用
是所有物體之間都存在的一種相互作用。日常生活中的物體和微觀粒子，它們之間的引力非常微弱，可忽略不計。但對于質量較大的天體，引力則是它們之間的主要作用力。
電磁相互作用
電磁相互作用是電荷間、磁體間或電荷與磁體間的相互作用。摩擦力、彈力等接觸力都是大量原子、分子之間電磁相互作用的宏觀表現。
能在宏觀世界里顯示其作用，二者是長程力
強相互作用
弱相互作用
是短程力，作用范圍在原子核尺度內。核子間的核力是由強相互作用引起的，質量數相同的不同原子核之間的轉換就是由弱相互作用引起的。
按由強到弱排列：強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。
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
三、結合能與平均結合能
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
當光子能量等于或大于2.19MeV時，
這個反應才會發生
一個質子和一個中子結合成氘核，
要放出2.19MeV的能量
原子核是核子憑借核力結合在一起構成的，要把它們分開，
也需要能量，這就是原子核的結合能。
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
1.結合能
n+H→H+γ
H+γ→H+n
實驗發現，任何一個原子核的質量總是小于組成它的所有核子的質量之和，這一差值稱為質量虧損。
2. 質量虧損
E = mc2
ΔE=Δmc2
質量變化時，表達式為：
Δm為核反應前和核反應后的質量虧損，質量虧損Δm的單位為kg。
愛因斯坦質能方程
例題：已知中子的質量mn＝1.6749×10-27kg，質子的質量mp＝1.6726×10-27kg，氘核的質量mD＝3.3436×10-27kg。寫出中子、質子結合成氘核的核反應方程并求氘核的結合能。
核反應方程為
中子和質子結合成氘核的質量虧損
中子和質子結合成氘核釋放的能量，即氘核的結合能：
核物理中常用eV作為能量單位，根據1eV＝1.60×10-19J，可得氘核的結合能
遷移：原子核的質量單位，通常會用原子質量單位u表示，1u＝1.6605×10-27kg。請證明質量虧損1u將釋放931.5 MeV的核能。
钚核發生α衰變，其核衰變方程為 。已知钚核的質量為239.0522u，鈾核的質量為235.0439u，氦核的質量為4.0026u。請根據上述結論，計算該衰變過程中釋放的核能。
用eV作為能量單位
钚核發生α衰變過程質量虧損
結合能與核子數之比，稱為比結合能。也叫平均結合能。
比結合能越大，表示原子核中核子結合得越牢固,原子核越穩定。
猜想：結合能越大原子核是不是越難被拆散？
即：結合能的大小能不能反映原子核的穩定程度？
3.比結合能
1、重核的平均結合能比中等質量核的平均結合能小。
重核容易裂變為中等質量的核而釋放出能量。
2、輕核的平均結合能比稍重的核的平均結合能小。
輕核如果聚變為中等質量的核也要釋放能量。
分析
D
1. 氦原子核由兩個質子與兩個中子組成，這兩個質子之間存在著萬有引力、庫侖力和核力，則3種力從大到小的排列順序是（　　）
A.核力、萬有引力、庫侖力
B.萬有引力、庫侖力、核力
C.庫侖力、核力、萬有引力
D.核力、庫侖力、萬有引力
2. (多選)原子核的比結合能曲線如圖所示，根據該曲線，下列判斷中正確的有（　 ?。?br/>A. 核的結合能約為14 MeV
B. 核比核更穩定
C. 兩個核結合成核時釋放能量
D. 核的比結合能比的大
BC
3. 在某些恒星內，3個粒子結合成1個原子，原子的質量是，原子的質量是。已知，則下列描述錯誤的是( )
A. 反應過程中的質量虧損是
B. 反應過程中的質量虧損是
C. 反應過程中釋放的能量是
D. 反應過程中釋放的能量是
D
4.已知中子的質量mn為1.6749×10-27 kg，質子的質量mp為1.6726 × 10-27 kg，氘核的質量mD為3.343 6 × 10-27 kg，求氘核的比結合能。
單個的質子 與中子的質量之和為
這個數值與氘核質量之差
與這個質量差相對應的能量為
解：
在核物理中，能量單位常常使用電子伏特(eV)，即
所以，氘核的結合能是
氘核的比結合能為
核力與結合能
核力與四種基本相互作用
比結合能（平均結合能）
=結合能÷核子數
強相互作用-核力
質能方程：
結合能
與平均結合能
弱相互作用
萬有引力
電磁力
結合能：原子核分解成核子時所吸收的能量，也是核子結合成原子核而釋放的能量。

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