5.3核力与结合能 课件-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

核力与结合能（一） 复习回顾： 原子核由哪些粒子组成？ 原子核由质子和中子组成，它们统称为核子。其中质子带正电，中子不带电。 质子数=电荷数 质子数+中子数=核子数=质量数 提出问题：带同种电荷的质子之间存在库仑斥力，那么它们为什么没有因此而飞散开来呢？ 思考：带同种电荷的质子之间存在库仑斥力，那么它们为什么没有因此而飞散开来呢？ 1、可能是核子间的万有引力吗？ 原子核的半径约为10-15m , 在这么小的空间里带正电的质子与质子间的库仑斥力是很大，万有引力太小，质子间的电磁力是万有引力的1035倍。 2、那是什么作用使质子在原子核内共存呢？ 原子核中的质子要靠自身的万有引力来抗衡相互间的库仑力是不可能的，因此必有第三种力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。这个力我们称为核力。 1、核力：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。 一、核力： 2、核力的特点： （1）核力是强相互作用（强力）的一种表现。 （2）核力是短程力，约在 10-15m量级时起作用。距离大于0.8×10-15m时为引力, 超过1.5×10-15m时核力几乎消失，距离小于0.8×10-15m时为斥力，故核子不会融合在一起。 （3）核力具有饱和性。每个核子只对相邻的核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。 （4）核力与是否有电荷无关。 p n n p p n r0 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，即引起中子向质子转变的原因。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。 四种基本相互作用 万有引力作用 电磁相互作用 强相互作用 弱相互作用 长程力 短程力 简单才是美。能否将这四种基本相互作用统一起来呢？ 例：从以下几个方面比较核反应与化学反应的相同和不同之处 （1）它们分别涉及四种基本相互作用的哪一种？ （2）每种反应分别改变了或重新安排了什么？ 核反应涉及强相互作用和弱相互作用，化学反应涉及电磁相互作用 核反应改变了原子核，化学反应可以改变核外电子的排列，从而改变分子结构。 二、原子核中质子和中子的比例 中子数 质子数 发现什么规律了吗？ 自然界中较轻的原子核、质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多。 为什么呢？ 要爆了 轻核（原子序数小于20）的质子数和中子数大致相等；对轻核而言，核子数量相对较小，核子间距处于核力作用范围之内，由于核力远大于电磁力，即使质子和中子成对出现，强大的核力也可以将核子紧紧地束缚在原子核的范围之内，形成稳定的原子核。 要爆了 重核（原子序数大于20）的质子数小于中子数；对于重核而言，核子数量大，核子间距也大，由于核力的饱和性，核力会因为核子间距的变大而大幅度减小，甚至小于电磁力。如果质子和中子再成对出现，原子核不稳定；如果只增加中子，由于中子之间不存在库仑力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以重核内中子数会明显大于质子数。 思考：若不断增大原子核的中子数，能不断增大原子核吗？为什么？ 不能；由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果我们继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。 在宇宙演化的进程中，各种粒子有机会进行各种组合，但那些不稳定的组合很快就瓦解了，只有200多种稳定的原子核长久地留了下来。现在观察到的天然放射性元素，则正在瓦解之中。 思考：核子间依靠强大的核力结合在一起，若想要把它们分开，需要什么条件？ 宏观模型：相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，运动速度越来越大，引力势能转化为动能最后撞在一起，动能变成它们的内能散失掉了。两个物体为了结合而付出了代价－－失去了一些能量，如果要把它们分开，还要重新赋予它们这份能量。 原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。 －－－－－－－－－－－－－－－－－ １ ２ ３ ４ ５ -13.6 -3.4 -1.51 -0.85 -0.54 0 eV n E ∞ 氢原子的能级图 其实我们还遇到过其他类似的例子。要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、让氢原子吸收光子等途径使它得到13.6eV的能量。 这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能，不过我们把它叫做氢原子的电离能，而结合能一词通常只用在原子核中。 三、结合能 1、概念：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