5.3 核力与结合能 课件 -2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

5.3 核力与结合能 质子间的作用力 在原子核那样狭小的空间里， 为什么带正电的质子为什么能够紧紧地束缚在一起而不飞散？ 万有引力？静电力？ 相互间距的数量级是10-15m；质量的数量级是10-27kg；引力常量的数量级是10-11； 电量的数量级是10-19C；静电力常量的数量级是109 万有引力太小，只有库仑力的10-35到10-36之间， 质子要靠万有引力来抗衡粒子之间的库仑力是不可能的。 核子之间一定存在第三种力——核力，将核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。 F库 中子 质子 一、核力 1. 定义 能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力，叫做核力。 （2）短程力 （1）强相互作用（强力）：在原子核尺度内，核力>>库仑力。 （3）饱和性：每个核子只与相邻核子发生核力作用。 （4）与电荷无关：对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。 2. 特点 约在 10-15m数量级时起作用，距离小于0.8×10-15m时为斥力，距离大于0.8×10-15m时为引力，距离为1.5×10-15m时核力几乎消失，因此核子不会融合在一起。 二、四种基本相互作用 1. 引力相互作用 引力是自然界的一种基本相互作用，主要在宏观和宇宙尺度上发挥作用。地面物体所受重力只是引力在地球表面附近的一种表现。 二、四种基本相互作用 原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分子结合成液体与固体。 宏观物体间的压力、拉力、弹力、支持力等，都起源于电荷间的电磁相互作用。 2. 电磁相互作用 二、四种基本相互作用 原子核中的核子之间存在一种强相互作用，即核力。 强相互作用是短程力，约在10-15m量级时起作用。 使核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。 3. 强相互作用（核力） p n n p p n 二、四种基本相互作用 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。 弱相互作用是短程力，力程比强力更短，约在10-18m量级时起作用。 作用强度比电磁力小。 4. 弱相互作用 二、四种基本相互作用 作用对象 特点 作用范围 举例 引力 相互作用 电磁 相互作用 强 相互作用 弱 相互作用 一切物体之间 随距离增大而减弱 长程力，宏观 重力 电荷之间 电流之间 磁体之间 相互作用 长程力，宏观 弹力、摩擦力 组成原子核的核子之间 距离增大时，急剧减小 短程力，微观 核力 基本粒子之间 距离增大时，急剧减小比强相互作用小得多 基本粒子间的力 短程力，微观 二、结合能 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，动能变成内能并散失。 两个物体为了结合而失去了一些能量，若要分开两个物体，还需重新赋予能量。 二、结合能 微观模型： 原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要将原子核拆散成单个核子，也需要一定能量，即原子核的结合能。 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。将核子分开需要的能量与核子结合放出的能量存在什么关系？ γ为光子，能量ε≥27.386MeV，反应才能发生。 γ为光子，能量ε＝27.386MeV 把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量相等。 分开氦原子核 核子结合成氦原子核 二、结合能 1. 结合能：原子核分解成核子时所吸收的能量。 核子结合成原子核时所释放的能量。 2. 比结合能（平均结合能）： 组成原子核的核子数越多，结合能越高。 比结合能等于核子结合成原子核时，平均每个核子所释放的结合能， 等于把原子核拆散成每个核子时，外界给每个核子的平均能量。 比结合能 结合能 核子数 = 二、结合能 比结合能的大小可以反映原子核的稳定程度 比结合能越大，说明原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定 中等核子数（中等大小）的原子核： 比结合能最大，原子核最稳定 核子数较小的轻核与核子数较大的重核： 比结合能较小，原子核不太稳定 比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，会释放出核能。 三、质量亏损 1. 定义 原子核分解为核子时，质量增加；核子结合成原子核时，质量减少。 原子核的质量小于组成原子核的核子的总质量，其差值叫做质量亏损。 三、质量亏损 质量亏损的同时，会以光子形式释放核能。 核反应遵守质量守恒、能量守恒、质量数守恒（核子总数不变）。 质量亏损≠质量消失或质量转变为能量 物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损是静止质量减少， 减少的静止质量m转化为与辐射能量（γ光子）相联系的运动质量。 2. 特征 以能量（光子）形式辐射，符合质量守恒定律 原子核 能量 质量亏损 光 中子 质子 三、质量亏损 物体的能量和质量之间的关系： E＝mc2 核子在结合成原子核时要放出能量时的质量亏损： ΔE＝Δmc2 物体质量会随着能量的变化而变化 质量不是能量，能量不是质量 质量不能转化为能量，能量不能转化为质量 质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度 质量亏损表明，原子核内的确存在结合能 核子结合成原子核时出现质量亏损，说明核子在结合过程中会放出能量。 原子质量单位：1u=1.660566×10-27kg 1uc2=931.5MeV (兆电子伏) 3. 爱因斯坦质能方程 5.3 核力与结合能 $$