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第3節(jié) 核力與核能
第五章 原子核與核能
學(xué)習(xí)目標(biāo)
1.知道四種基本相互作用，知道核力的性質(zhì)。
2.認(rèn)識(shí)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(jì)算核能相關(guān)的問(wèn)題。
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(kāi)呢？
猜想：萬(wàn)有引力？
驗(yàn)證：質(zhì)子間的電磁力是萬(wàn)有引力的1035倍
結(jié)論：核子不可能靠自身萬(wàn)有引力抗衡庫(kù)侖斥力。
猜想：存在第三種力——核力，是核力把核子束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核。
一、核力與核的穩(wěn)定性
1.核力：把原子核中的核子維系在一起的力，稱(chēng)為核力
2.力程：力的作用范圍稱(chēng)為力程。
p
n
n
p
p
n
2.特點(diǎn)：
(1)核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)。在原子核尺度內(nèi)，核力比庫(kù)侖力大得多 。
(2)核力是短程力，約在10-15m 數(shù)量級(jí)時(shí)起作用。
(3)核力與電荷無(wú)關(guān)，核力與核子電荷無(wú)關(guān)。
(4)核力具有飽和性，每個(gè)核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用 。
(5)核素:具有一定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子核稱(chēng)為核素
3.核素圖
穩(wěn)定的核素幾乎全落在一條曲線上,或緊靠曲線的兩側(cè)這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為核素的穩(wěn)定區(qū)。
①對(duì)于較輕的核,核素的穩(wěn)定區(qū)與N=Z重合,說(shuō)明N=Z的核素比較穩(wěn)定。
②當(dāng)N、Z增大到一定數(shù)值后,穩(wěn)定區(qū)逐漸向N>Z的方向偏離。隨著質(zhì)子數(shù)的增加,穩(wěn)定核素的中子數(shù)越來(lái)越大于質(zhì)子數(shù)。
二、核力與四種基本相互作用
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)。
長(zhǎng)程力
2. 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
長(zhǎng)程力
3. 強(qiáng)相互作用
原子核中的核子之間存在一種很強(qiáng)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。
p
n
n
p
p
n
------核力
短程力
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
按由強(qiáng)到弱排列：強(qiáng)相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。
三、結(jié)合能與平均結(jié)合能
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(kāi)，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(kāi)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？
2.比結(jié)合能：
原子核的結(jié)合能與其核子數(shù)之比，稱(chēng)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(shí)，平均每個(gè)核子所釋放的結(jié)合能，它也等于把原子核拆散成每個(gè)核子時(shí)，外界提供給每個(gè)核子的平均能量。
平均結(jié)合能
結(jié)合能
核子數(shù)
=
原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)的變化曲線（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）
1.中等大小的核比結(jié)合能最大
2.中等大小的核平均每個(gè)核子的
質(zhì)量虧損最大
3.中等大小的核最穩(wěn)定
物理學(xué)家研究質(zhì)子、中子和氘核之間的質(zhì)量關(guān)系發(fā)現(xiàn)：
中子
（mn）
質(zhì)子
（mp）
精確的計(jì)算表明氘核的質(zhì)量比中子和質(zhì)子的質(zhì)量之和要小一些．
質(zhì)量虧損
〓
氘核
3.質(zhì)量虧損
物體的能量和質(zhì)量之間存在著某種聯(lián)系：
愛(ài)因斯坦
物體的能量和質(zhì)量之間存在密切的聯(lián)系，他們的關(guān)系是：
核子在結(jié)合成原子核時(shí)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(huì)發(fā)生變化。
核能的計(jì)算方法
1.根據(jù)核反應(yīng)過(guò)程，計(jì)算核反應(yīng)前和核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損Δm。
2.根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2計(jì)算核能。
(1)若Δm的單位是千克，則需要將c＝3×108 m/s代入，計(jì)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(jì)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)
3.在無(wú)光子輻射的情況下，核反應(yīng)中釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為生成的新核和新粒子的動(dòng)能。
例題：已知中子的質(zhì)量mn＝1.6749×10-27kg，質(zhì)子的質(zhì)量mp＝1.6726×10-27kg，氘核的質(zhì)量mD＝3.3436×10-27kg。寫(xiě)出中子、質(zhì)子結(jié)合成氘核的核反應(yīng)方程并求氘核的結(jié)合能。
核反應(yīng)方程為
中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核的質(zhì)量虧損
中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核釋放的能量，即氘核的結(jié)合能：
核物理中常用eV作為能量單位，根據(jù)1eV＝1.60×10-19J，可得氘核的結(jié)合能
遷移：原子核的質(zhì)量單位，通常會(huì)用原子質(zhì)量單位u表示，1u＝1.6605×10-27kg。請(qǐng)證明質(zhì)量虧損1u將釋放931.5 MeV的核能。
钚核發(fā)生α衰變，其核衰變方程為 。已知钚核的質(zhì)量為239.0522u，鈾核的質(zhì)量為235.0439u，氦核的質(zhì)量為4.0026u。請(qǐng)根據(jù)上述結(jié)論，計(jì)算該衰變過(guò)程中釋放的核能。
用eV作為能量單位
钚核發(fā)生α衰變過(guò)程質(zhì)量虧損
1.(多選)關(guān)于核力,下列說(shuō)法正確的是 (　　)
A.核力是一種特殊的萬(wàn)有引力
B.原子核內(nèi)只有質(zhì)子和質(zhì)子間有核力作用,中子和中子之間、質(zhì)子和中子之間沒(méi)有核力作用
C.核力是原子核穩(wěn)定存在的原因
D.核力是一種短程強(qiáng)力
CD
2.關(guān)于原子核的結(jié)合能，下列說(shuō)法正確的是( )
A.原子核的結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定
B.原子核的結(jié)合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量
C.自由核子組成原子核時(shí)，其質(zhì)量虧損所對(duì)應(yīng)的能量大于該原子核的結(jié)合能
D.一重原子核衰變成α粒子和另一原子核，衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來(lái)重核的結(jié)合能
BD
3.下列說(shuō)法正確的是(　　)
A．愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程說(shuō)明了物體質(zhì)量就是能量，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化
B．由質(zhì)能方程可知，能量與質(zhì)量之間存在正比關(guān)系，可以用物體的質(zhì)量作為它所含有的能量的量度
C．核反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)的“質(zhì)量虧損”是消失的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成的
D．因在核反應(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)的總能量不守恒
B
4.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(xiě)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(guò)程中放出的核能全部轉(zhuǎn)化為α粒子和氚核的動(dòng)能，求出質(zhì)量虧損。
結(jié)合能與平均結(jié)合能
引力相互作用
核力與結(jié)合能
四種基本相互作用
質(zhì)量虧損：
質(zhì)能方程E=mc2
電磁相互作用
強(qiáng)相互作用
弱相互作用
—核力
使得核子緊密地結(jié)合在一起的力
是短程力
概念：自由核子形成原子核所釋放的能量，或者原子核重新分為自由核子，需要吸收的能量

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