5.3 核力与结合能 课件 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

第五章 原子核 第3节 核力与结合能 情境与思考 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？ 思考：有没有可能是万有引力？ F库 中子 质子 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。在核子之间一定存在着第三种力——核力，把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。 温故知新 是核力把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。 3 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。 2. 特点： ②核力是短程力。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。 ①核力是强相互作用(强力)的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多 (比库仑力强137倍)。 ③核力与(核子)电荷无关。 ④每个核子只与相邻的核子发生核力作用，具有饱和性。 核力与四种基本相互作用 ①万有引力相互作用 17世纪下半叶，人们发现了万有引力。正是万有引力把行星和恒星聚在一起，组成太阳系、银河系和其他星系。 2. 四种基本相互作用： 核力与四种基本相互作用 ②电磁相互作用 电荷间与磁体间的相互作用 弹力 19世纪后人们发现，宏观物体之间的压力、拉力、弹力、支持力等，都起源于这些电荷之间的电磁相互作用。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，使原子核结合成分子，使分子结合成液体、固体。 核力与四种基本相互作用 2. 四种基本相互作用： ③强相互作用 20世纪，物理学家发现原子核是由若干带正电荷的质子和不带电的中子组成的。原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。核力是短程力，约在10-15m量级时起作用。 核力与四种基本相互作用 2. 四种基本相互作用： ④弱相互作用 19世纪末20世纪初，物理学家发现了放射现象。后来发现，在某些放射现象中起作用的还有另一种基本相互作用，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。弱相互作用也是短程力，其力程比强相互作用更短，只有10-18m。 核力与四种基本相互作用 2. 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 电荷间、电流间、磁体间 有斥力、引力作用 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，引起原子核β衰变的原因 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 核力与四种基本相互作用 2. 四种基本相互作用： 电磁相互作用：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，使原子核结合成分子，使分子结合成液体、固体。 9 宏观：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，一部分动能变成热并散失掉了。 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，还要重新赋予它们能量。 微观：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相应的能量。 那在原子核中也是这样吗？ 10 思考1：如图5.3-3，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，四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？ 可见，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。 分开氦原子核： 核子结合成氦原子核： 结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把核子分开 所需要的能量。 思考2：结合能是原子核具有的能量吗？ 思考与讨论 1. 结合能： 原子核分解成核子时所吸收的能量， 吸收2.22MeV 或者核子结合成原子核而释放的能量。 吸收27.386MeV 结合能 组成原子核的核子越多，它的结合能越高。 2. 比结合能(平均结合能)： (1)意义：它反映了一个原子核稳定程度，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。 (2)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，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能。 (3)注意：①结合能大的原子核，比结合能不一定大，结合能小的原子核，比结合 能不一定小。 这个能量大or小？ 单个质子、中子、电子无结合能。 2.22MeV=2.22×106eV，一般两个分子发生化学反应放出的能量只有几eV，所以很大！ 因此，有意义的是它的结合能与核子数之比。 12 结合能 (3)注意：①结合能大的原子核，比结合能不一定大，结合能小的原子核，比结合 能不一定小。 ②中等大小核的比结合能较大、原子核较稳定。　 2. 比结合能(平均结合能)： ③铁(Fe)原子的比结合能最大，铁(Fe)原子核最稳定。 核子结合成铁原子核或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大。 从图象上看，哪些原子的比结合能大？ 两个比铁轻的原子核结合时，或比铁重的重核分裂时，都要放出能量。 13 结合能 ③当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可能释放核能。 例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很 小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。 3. 比结合能与原子核稳定的关系： ①比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开, 表示该原子核就越稳定。 ②核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳 定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定。 思考：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。这个能量有多大？我们可能计算出来吗？ 1. 定义：原子分解为核子时，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质量之和，组成原子核的核子的质量之和与原子核的质量之差叫做质量亏损。 质量亏损 2. 爱因斯坦质能方程： 物体的能量和质量之间存在密切的联系，他们的关系是： 核子在结合成原子核时要放出能量，出现质量亏损，大小为： 质能方程 E＝mc2 ΔE＝Δmc2 那是不是质量转化成能量了呢？ 一个50kg的人蕴含多少能量？4. 5×1018J，但不一定能释放。 16 例1. 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。 1MeV=1×106eV=1.6×10-13J 我们知道质子和中子结合成氘核释放能量，根据爱因斯坦质能方程，放出的能量跟质量有关，所以说明单个质子和中子质量之和比氘核质量大。 17 1. 定义：原子分解为核子时，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质量之和，组成原子核的核子的质量之和与原子核的质量之差叫做质量亏损。 ③质量亏损也不是核子个数的减少，核反应 中核子个数是不变的。 ①质量亏损的同时以光子形式释放核能。 ②在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒。 质量亏损并不是这部分质量消失或质量转变为能量。物体的质量应包括静质量和动质量，质量亏损是静质量减少，减少的静质量转化为和辐射能量相联系的动质量。 质量亏损 2. 爱因斯坦质能方程： 物体的能量和质量之间存在密切的联系，他们的关系是： 核子在结合成原子核时要放出能量，出现质量亏损，大小为： 质能方程 E＝mc2 ΔE＝Δmc2 那是不是质量转化成能量了呢？ 一个50kg的人蕴含多少能量？4. 5×1018J，但不一定能释放。 18 3. 质能方程常用单位： 4. 质能方程的本质： 质量亏损 原子物理中常把碳12原子质量的1/12叫作“原子质量单位”，用1u表示(1u＝ 1.6606×10-27kg)，请根据E＝mc2，证明：1u相当于931.5MeV的能量。（已知光 速c为3×108m/s，元电荷e为1.6×10-19C） ①质量或能量是物质的属性之一，决不能把物质的质量 和能量等同起来； ③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。 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； (1)原子核中的质子是靠自身的万有引力聚在一起的。 (　　) (2)核力是强相互作用力，在原子核的尺度内，核力比库仑力大多得。 (　　) (3)在原子核的组成中，质子数等于中子数。 (　　) (4)原子核大到一定程度，原子核就不稳定了。 (　　) (5)组成原子核的核子越多，它的结合能就越高。 (　　) (6)结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定。 (　　) ★判一判： × √ × √ √ × 例1. 用速度大小为v的中子轰击静止的锂核()，发生核反应后生成氚核和α粒子。生成的氚核速度方向与中子的速度方向相反，氚核与α粒子的速度之比为7∶8，中子的质量为m，质子的质量可近似看成m，光速为c。 （1）写出核反应方程； （2）求氚核和α粒子的速度大小； （3）若核反应过程中放出的核能全部转化为α粒子和氚核的动能，求出质量亏损。 典例解析 22 思考1：原子核内核子平均质量随核子数又会如何变化呢？ 思考2：A分裂为B、C，总质量是减小还是增大？ 思考3：D、 E聚合成F，总质量是减小还是增大？ 中等质量核稳定，比结合能越大，同核子数下的原子核释放能量越多，质量亏损越多，故核子平均质量越小。 思考1：A分裂为B、C，总质量是减小还是增大？ 答：核子数不变，平均质量减小，总质量减小，释放能量。（重核裂变） 思考2：D、 E聚合成F，总质量是减小还是增大？ 答：核子数不变，平均质量减小，总质量减小，释放能量。（轻核聚变） 23 同学们，下课！ $