核反应涉及强相互作用，化学反应涉 及电磁相互作用 （2）核反应改变了原子核，化学反应可以改 变核外电子的排列，

核反应涉及强相互作用，化学反应涉 及电磁相互作用 （2）核反应改变了原子核，化学反应可以改 变核外电子的排列，

物理选修3-5 19.5 核力与结合能 LI

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第十九章 原子核 回顾：原子核的组成 原子核 质子（带正电） 中子 思考：在原子核那样狭小的空间里，带正电 的质子为什么能够挤在一起而不飞散？ 统称为核子 猜想：万有引力？ 回顾：F引 = G m1 m2 r 2质子F库 = k q1 q2 r 2中子原子核示意图 验证： 间距r 数量级10-15m；质量m 数量级10-27kg； 电量q 数量级10-19C；引力常量G数量级10-11； 静电力常量 k 数量级109 。 结论：质子间的电磁力是万有引力的1035倍 核子不可能靠自身万有引力抗衡库仑斥力。 猜想：存在第三种力——核力，是核力把核子 束缚在核内，形成稳定的原子核。 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、特点 （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。 （2）. 核力是短程力。约在10-15m 数量级时起作 用，距离大于0.8×10-15m时为引力, 距离为 10×10-15m 时核力几乎消失，距离小于 0.8×1015m 时为斥力，因此核子不会融合在一起。 （3）. 核力与电荷无关。核力与核子电荷无关。 （见书本P79图） （4）. 核力具有饱和性。每个核子只跟相邻的核 子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。 二、原子核中质子与中子的比例 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，中子数大于质数， 越重的元素，两者相差越多。 中 子 数 实际存在 的原子核 原因分析： 核越大，核子间距离增大 库仑力与核力均减少，但核力减少快 增大到一定程度时，核力较少，不足 以平衡库仑力时，原子核会不稳定。 理想的质子 数和中子数 相等的稳定 原子核 质子数 若增加中子，与其它核子无库仑力， 但有核力，有助于原子核稳定 核力是短程力，若超过其作用范围， 增加中子，原子核也不稳定，所以原 子序数越大越不稳定。 三、结合能 由于核子间存在着强大的核力，所以核 子结合成原子核或原子核分解为核子时，都 伴随着巨大的能量变化． 例如： n + 2 1 1 0 1 1 H ? H+γ2 1 1 1 1 0 H+γ ? H+ n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． 比结合能 自然，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。 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。 四、爱因斯坦的质能方程 从相对论得出，物体的能量和质量 之间存在如下密切联系。E ? mc 2表明：物体具有的能量与它的质量之 间存在着简单的正比关系。 五、质量亏损 把组成原子核的核子的质量与原 子核的质量之差叫做核的质量亏损。 核子在结合成原子核时出现质量亏损，所以 要放出能量，大小为：? E ? ? mc 2 五、质量亏损 例题：请计算一下方程左右的质量变化1 0 n+ H ? H + γ1 1 2 1中子的质量 =1.6749×10－27Kg质子的质量 = 1.6726×10－27Kg中子和质子的质量和 = 3.3475×10－27Kg氘核的质量 = 3.3436×10－27Kg 质量亏损: 质量差△m = 0.0039×10－27Kg 五、质量亏损 例题：请计算核反应释放的能量1 0 n+ H ? H + γ1 1 2 1质量亏损: △m= 0.0039×10－27Kg 爱因斯坦的质能方程：E＝mc2 △E= △mc2 = 0.0039×10-27×(3×108) 2J = 3.51×10-13 J 又1eV= 1.60×10-19 J ∴ △E = 2.19×106 eV= 2.19 MeV 比结合能为:2.19 MeV 2 = 1.10 MeV核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm 质量亏损表明：原子核内的确存在着结合能。 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。 核子平均质量D E F A C B O Fe Z平均结合能F C B E D O A核子的平均结合能随质量数的变化Fe z 有关问题的理解和注意事项1、核子结合成原子核，新核质量小于核子的 质量(质量亏损)，同时以?光子形式释放核能;原子核分解为核子时，需要吸收一定能量, 核子的总质量大于原原子核的质量. 2、核反应过程中，质量亏损时，核子个数不 亏损(即质量数守恒)，可理解为组成原子核后, 核内每个核子仿佛“瘦了”一些. 3、质量亏损并非质量消失，而是减少的质量 ?m以能量形式辐射(动质量)，因此质量守恒定 律不被破坏。 ?m用“kg”，c用“m/s”， ?E用“J” 4、国际单位： 常用单位: ?m用“u”(原子质量单位) 1u=1.660566×10-27kg， c=2.9979×108m/s， 1eV=1.6022×10-19J． ΔE用“?m c2”， 1u=931MeV (表示1u 的质量变化相当于931MeV的能量改变) 5、核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释 放或吸收的能量大好几个数量级. 课后题1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？ 典例探究 例2：中子和质子结合成氘核，同时释放γ光子， 1 0 2 核反应方程是 1 H ? 1 n ? 1 H + ? ,下列说法正确 的是（ ACD ） A.反应后氘核的质量一定小于反应前质子和 中子的质量和 B.反应前后质量数不变，因而质量不变 C.核子结合成氘核时，一定释放核能 2 ? mc ，Δm为核反应 D. γ光子具有的能量为 中的质量亏损 课后3例3 碳原子质量的 1/12 叫做原子质量单位， 用u 表示。试证明1u 相当于931 MeV。 证明： 碳原子的摩尔质量为M=12g/mol，所以一个碳 原子质量为m=M/NA=1.993×10-26kg所以1u=m/12=1.6606×10-27kg 代入公式E=mc2得： E=1.4924×10-10J=931MeV 例题: U （原子量为232.0372）衰变为 Th （原子量为228.0287）时，释放出?粒子 （4 He 的原子量为4.0026）。写出衰变方程，并 2 且计算衰变过程中释放的能量。238 92 234 90解：衰变方程238 92 U? 234 90 Th ? He 4 2衰变后的质量亏损 ? m =232.0372u?(222.0287u+4.0026u)= 0.0059u释放的能量? E ? ? mc 2 = 0.0059?931.5MeV=5.5MeV 问题与练习参考答案：P82 1.（1）核反应涉及强相互作用，化学反应涉 及电磁相互作用 （2）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 2、根据质能关系可知