5.3 核力与结合能-新教材高中物理选择性必修第三册【新课程同步训练】学习手册（人教版）

第五章 原 子 核 学 知 识 梳 理 知识点 1 核力与四种基本相互作用 1. 核力 （ 1 ） 核力是核子间的相互作用 （强力） 的一种表 现。 在原子核的尺度内， 核力比库仑力大得 多。 （ 2 ） 核力是短程力， 作用范围在 1.5×10 -15 m 之内。 核子间距大于一定值的时候表现为引力， 反 之表现为斥力。 （ 3 ） 每个核子只跟相邻的核子发生核力作用， 这种 性质称为核力的饱和性。 （ 4 ） 弱相互作用： 除核力外， 核物理学家还在原子 核内发现了自然界的第四种相互作用———弱 相互作用 （弱力）， 弱相互作用是引起原子核 β 衰变的原因。 2. 四种基本相互作用力 （ 1 ） 弱力 （弱相互作用）： 弱相互作用是引起原子 核 β 衰变的原因 → 短程力。 （ 2 ） 强力 （强相互作用）： 在原子核内， 强力将核 子束缚在一起 → 短程力。 （ 3 ） 电磁力： 电磁力在原子核外， 电磁力使电子不 脱离原子核而形成原子 → 长程力。 （ 4 ） 引力： 引力主要在宏观和宇观尺度上 “独领风 骚”， 是引力使行星绕着恒星转， 并且联系着 星系团， 决定了宇宙的现状和未来 → 长程力。 知识点 2 原子核中质子和中子的比例规律 1. 较轻的原子核， 质子数与中子数大致相等。 2. 较重的原子核， 中子数大于质子数。 越重的元 素， 两者相差越多。 知识点 3 结合能 1. 定义： 把原子核分开成核子要吸收能量， 核子 结合成原子核要放出能量， 这个能量叫作原子 核的结合能。 2. 平均结合能： 原子核越大， 它的结合能越高， 因此有意义的是它的结合能与核子数之比， 称 作比结合能， 也叫平均结合能。 比结合能越大， 表示原子核中核子结合得越牢固， 原子核越稳定。 知识点 4 质能方程与核能的计算 1. 核能： 核反应中放出的能量 2. 质量亏损： 原子核质量与组成它的核子质量之 间的差值。 3. 质能方程： 爱因斯坦指出， 物体的能量和质量 之间存在着正比关系， 即 E＝mc 2 ， 由 Ｅ＝mc 2 得 ΔE＝Δmc 2 。 （ 1 ） 从核反应中算出质量亏损 Δm ， 代入 ΔE＝ Δmc 2 ， 求出核反应中释放的能量 ΔE 。 注意 m 、 c 的单位分别为 kg 和 m/s 2 ， 此时 E 的单位为 J 。 （ 2 ） 先由核反应算出质量亏损 Δm 是多少 u ， 再根 据 １ u 相当于 931.5 MeV 计算出 E 。 注意此时 ΔE 的单位为 MeV 。 要 点 突 破 要点 1 核力 1. 核力与库仑力 （ 1 ） 库仑力只存在于电荷间， 同种电荷一定相斥， 异种电荷一定吸引， 与距离无关。 （ 2 ） 核力既可以是吸力， 又可以是斥力， 是短距离 力， 只在 1.5×10 -15 m 之内起作用， 与核子电 性无关。 2. 核力与分子力 （ 1 ） 相同点： 距离不同时， 可表现为引力或斥力。 （ 2 ） 不同点： 核力是短程力， 分子力是长程力。 要点 2 结合能和质量亏损 比结合能曲线： 不同原子核的比结合能随质量 3. 核力与结合能 77 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 数变化的曲线如图所示。 从图中看出， 中等质量原子核的比结合能最 大， 轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核 的要小。 要点 3 对质量亏损和质能方程的理解 爱因斯坦质能方程反映的是质量亏损和释放出 核能这两种现象之间的联系， 并不表示质量和能量 之间的转变关系。 对于质量亏损， 不能理解为质量 转变成了能量。 质能方程的本质是： 1. 质量或能量是物质的属性之一， 绝不能把物质 和它们的某一属性 （质量或能量） 等同起来。 2. 质量亏损不是否定了质量守恒定律。 根据爱因 斯坦的相对论， 辐射出的 γ 光子静质量虽然为 零， 但它有动质量， 而且这个动质量刚好等于 亏损的质量， 所以质量守恒、 能量守恒仍成立。 3. 质能方程揭示了质量和能量的不可分割性， 建 立了这两个属性在数值上的关系， 这两个量分 别遵守质量守恒和能量守恒， 质量和能量在数 值上的联系绝不表示这两个量可以互相转化。 要点 4 核能的相关计算 1. 根据质量亏损计算 （ 1 ） 根据核反应方程， 计算核反应前和核反应后的 质量亏损 Δm 。 （ 2 ） 根据爱因斯坦质能方程 ΔE＝Δmc 2 计算核能。 其中 Δm 的单位是千克， ΔE 的单位是焦。 2. 利用平均结合能来计算核能 原子核的结合能 ＝ 核子的平均结合能 × 核子数。 核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反 应后生成的所有新核的总结合能之差， 就是该核反 应所释放 （或吸收） 的核能。 3. 应用阿伏加德罗常数计算核能 若要计算具有宏观质量的物质中所