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第五章 原子核與核能
第3節(jié) 核力與核能
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。
原子核由質(zhì)子和中子組成
質(zhì)子帶正電，中子不帶電，電子帶負(fù)電
質(zhì)子和電子的庫侖力遠(yuǎn)大于中子與質(zhì)子的萬有引力
為什么質(zhì)子和中子還能緊緊吸引在一起而不分離？
猜想：
是不是有一種力將質(zhì)子和中子限制在10-15m的區(qū)域內(nèi)？
1.核力：把原子核中的核子維系在一起的力（強相互作用，也叫強力）
1質(zhì)子+2中子→
←2質(zhì)子+1中子
一、核力與核的穩(wěn)定性
2.特點：
(1)核力是強相互作用的一種表現(xiàn)。在原子核尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多 。
(2)核力是短程力，約在10-15m 數(shù)量級時起作用。
(3)核力與電荷無關(guān)，核力與核子電荷無關(guān)。
(4)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 。
(5)核素:具有一定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子核稱為核素
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)這個區(qū)域稱為核素的穩(wěn)定區(qū)。
①對于較輕的核,核素的穩(wěn)定區(qū)與N=Z重合,說明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)越來越大于質(zhì)子數(shù)。
二、四種基本相互作用
1.引力相互作用：引力主要在宏觀和宏觀尺度上“獨領(lǐng)風(fēng)騷”。是引力使行星繞著恒星轉(zhuǎn),并且聯(lián)系著星系團,決定著宇宙的現(xiàn)狀。萬有引力是長程力。
2.電磁相互作用：電磁力在原子核外,電磁力使電子不脫離原子核而形成原子,使原子結(jié)合成分子,使分子結(jié)合成液體和固體。
3.強相互作用：在原子核內(nèi),強相互作用將核子束縛在一起,強力是短程力。
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,作用強度則比電磁力小。
p
n
n
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
→ 引力勢能
→ 動能
→ 內(nèi)能
損失能量
補充能量
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，叫做原子核的結(jié)合能。
損失能量
兩很遠(yuǎn)的物體
1. 結(jié)合能
三、結(jié)合能與平均結(jié)合能
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？
結(jié)合能的大小不能反映原子核的穩(wěn)定程度
思考：如何才能反映原子核的穩(wěn)定程度？
（1）定義：結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做為比結(jié)合能。也叫平均結(jié)合能。
（2）意義：
它反映了一個原子核穩(wěn)定程度。
比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。
2. 比結(jié)合能
比結(jié)合能=結(jié)合能核子數(shù)
?
（3）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)）
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核子的
質(zhì)量虧損最大
3.中等大小的核最穩(wěn)定
3.質(zhì)量虧損
(1) 任何一個原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和,這一差值稱為質(zhì)量虧損。
(2)愛因斯坦質(zhì)能方程與結(jié)合能的計算:
愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2
核子結(jié)合成原子核時釋放的結(jié)合能為ΔE=Δmc2,其中Δm為質(zhì)量虧損。
質(zhì) 能 方 程
E = m c2
↓
能量
↓
質(zhì)量
↓
光速
對質(zhì)能方程E＝mc2的理解
(1)質(zhì)能方程E＝mc2說明一定的質(zhì)量總是跟一定的能量相聯(lián)系。具體地說，一定質(zhì)量的物體所具有的總能量是一定的，E不是單指物體的動能、核能或其他哪一種能量，而是物體所具有的各種能量的總和。
(2)根據(jù)質(zhì)能方程E＝mc2，物體的總能量與其質(zhì)量成正比。物體質(zhì)量增加，則總能量隨之增加；質(zhì)量減少，總能量也隨之減少。
(3)根據(jù)質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2，核反應(yīng)過程中發(fā)生的質(zhì)量虧損，并不是消失了，減少的質(zhì)量Δm在核子結(jié)合成原子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。
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
1.下列說法不正確的是(　　)
A.核力是短程力,作用范圍很小,只在鄰近核子間發(fā)生
B.核力可能是引力,也可能是斥力。核力把核子緊緊束縛在核內(nèi),形成穩(wěn)定的原子核,但又不會融合在一起
C.質(zhì)子間、中子間、質(zhì)子和中子之間都可能有核力
D.核力是一種弱相互作用力,在其作用范圍內(nèi),核力比庫侖力大得多
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.靜止的氡核86222????????放出α粒子后變成釙核84218????????，α粒子動能為????????????。若衰變放出的能量全部變?yōu)榉礇_核和α粒子的動能，真空中的光速為c，則該反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為（　　）
A.4218·????????????????2　　　B.0　　　C.222218·????????????????2　　　D.218222·????????????????2
?
C
(1)寫出鈾核的衰變反應(yīng)方程；
(2)算出該衰變反應(yīng)中釋放出的核能；
(3)若釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為新核的動能，則α粒子的動能為多少？
核力與結(jié)合能
核力與四種基本相互作用
比結(jié)合能（平均結(jié)合能）
=結(jié)合能÷核子數(shù)
強相互作用-核力
質(zhì)能方程：
結(jié)合能
與平均結(jié)合能
弱相互作用
萬有引力
電磁力
結(jié)合能：原子核分解成核子時所吸收的能量，也是核子結(jié)合成原子核而釋放的能量。

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