5.3 核力与结合能（同步课件）-2023-2024学年高二物理同步精品课堂（人教版2019选择性必修第三册）

§3 核力与结合能 第五章 原子核 目录 CONTENTS 核力与四种基本相互作用 01 质量亏损 结合能 03 02 思考与讨论： 原子核是由中子和质子构成的。在原子核那样狭小的空间里，是什么力量把带正电的质子紧紧地束缚在一起而不飞散开呢？ 核力与四种基本相互作用 01 一、核力与四种基本相互作用 1.核力（强相互作用）：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。 特点： 与万有引力和电磁力不同，距离增大时，强相互作用急剧减小，它的作用范围只有约10-15m，即原子核的大小，超过这个界限，这种相互作用实际上已经不存在了，它是短程力。这样，万有引力、电磁力和强相互作用分别在不同的尺度上发挥了作用。 （1）万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，决定了宇宙的现状和未来。 （3）强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。 （2）电磁力：在原子核外，电磁力使电子和原子核结合成分子，使分子结合成液体与固体。电磁力和万有引力都是“长程力”，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小 （4）弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子－质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为10－18m，作用强度则比电磁力小。 一、核力与四种基本相互作用 2.四种基本相互作用 结合能 02 二、结合能 氦原子核是由两个质子和两个中子凭借核力结合在一起的，要把它们分开，需要吸收能量。反过来，4个核子结合成氦原子核要放出能量。那么，把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系？ 思考与讨论： 1.结合能：当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量。这个能量叫做原子核的结合能。 组成原子核的核子数，组成原子核的核子数越多，结合能越大。 2.结合能大小的因素： 二、结合能 1.比结合能：原子核的结合能与核子数之比称为比结合能，也叫平均结合能。 2.注意：核子结合成原子核时，平均每个核子所释放的结合能，它也等于把原子核拆散成每个核子时，外界提供给每个核子的平均能量。 比结合能 结合能 核子数 = 3.意义：它反映了一个原子核稳定程度。比结合能越大，原子核越稳定。 二、结合能 二、结合能 不同原子核的比结合能是不一样的，右图是按照实际测量结果画的图线。可以看出，中等大小的核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。 4.不同原子核的比结合能图像： 质量亏损 03 1.质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫作质量亏损。 三、质量亏损 2.爱因斯坦已经给我们指出了物体的能量与它的质量的关系，即： E＝mc2 【例题】已知中子的质量是mn=1.6749×10-27kg，质子的质量是mp=1.6726×10-27kg，氘核的质量是mD=3.3436×10-27kg，求氘核的比结合能. 解析： 单个质子和单个中子的质量和为： mp+mn=（1.6726+1.6749）×10-27kg=3.3475×10-27kg 这个数值与氘核质量之差： Δm ＝（mp+mn）-mD=（3.3475-3.3436）×10-27kg=0.0039×10-27kg 与这个质量差相对应的能量为： ΔE=Δmc2=0.0039×10-27×(3.00×108)2J=3.51×10-13J 核物理中，能量单位常使用电子伏特：1eV=1.60×10-19J，所以结合能是： 氘核的比结合能为： 3.质能方程ΔE= mc2 常用单位: （1） m用“u(原子质量单位)”： 1u=1.660566×10-27kg （2）ΔE用“uc2” ：1uc2=931.5MeV（931.5兆电子伏） (表示1u 的质量变化相当于931.5MeV的能量改变) 三、质量亏损 思考：将一个质子和一个中子结合成一个氘核，能量减小了，是否违反了能量守恒定律？为什么？ 没有违反能量守恒定律；减小的这部分能量以γ光子释放出去。 思考：将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了，是否违反了质量守恒定律？为什么？ 没有违反质量守恒定律；减小的那部分质量等于γ光子的动质量。 三、质量亏损 思考：根据质能方程，能否认为质量和能量可以相互转化？ 三、质量亏损 (1)质量或能量是物质的属性之一，决不能把物质和它们的某一属性(质量和能量)等同起来； (2)质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，方程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决不等于这两个量可以相互转化； 课堂练习