ddd19.5核力与结合能(可上课直接用).ppt
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1、19.5 核力与结合能,回顾:原子核的组成,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? 猜想:万有引力?,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:万有引力只有库仑力的10-35到10-36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、核力与四种基本相互作用,这种作用力有哪些特点?人们对这种相互作用的认识还有哪些地方有待完善?,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、,一、核力与四种基本相互作用,2. 核力是短程力。约在 10-15m量级时起作用,距离大于0.810-15m时为引力, 距离为1010-15m时核力几乎消失,距离小于0.810-15m时为斥力,因此核子不会融合在一起。,1. 核力是四种相互作用中的强相互作用(强力)的一种表现。在原子核尺度内,核力比库仑力大得多。,3. 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。,特 点,4. 核力具有电荷无关性。对给定的相对运动状态,核力与核子电荷无关。(见书本P79图),小于0.810-15m时核力的变化规律还不清楚。,一、核力与四种基本相互作用,弱相互作用是引起原子核
3、发生衰变的原因,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10-8m,作用强度比电磁力弱。,人们对这种相互作用的认识还有哪些有待完善?,第四种基本相互作用就是弱相互作用,它有何作用?有何特点?,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。,四种相互作用,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
4、原子核衰变的原因,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1018m,作用强度则比电磁力小。,物理学有一条理论:叫做简单才是美。能否将这四条理论统一起来呢?,一、核力与四种基本相互作用,一、核力与四种基本相互作用,典例探究,例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?,二、原子核中质子和中子的比例,稳定的轻核(原子序数小于20)的质子数和中子数有何特点?你能分析其中的原因吗?,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
5、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。,稳定的重核(原子序数大于20)的质子数和中子数有何特点?你能分析其中的原因吗?,二、原子核中质子和中子的比例,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。,二、原子核中质子和中子的比例,
6、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。,若不断增大原子核的中子数,能不断增大原子核吗?为什么?,三、结合能,将一个质子和中子结合在一起,会产生什么现象?若要把它们分开,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。,微观模型:原子核是核子结合在一起构成的,要把它们分开,也需要
7、能量,这就是原子核的结合能。,类比分析: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、赋予光子等某种途径让它得到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,不过通常把它叫做氢原子的电离能,而结合能一词只用在原子核中,结合能是原子具有的能量吗?如何理解结合能?,三、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。 结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量,而是为把核子分开而需要的能量。,结合能的大小与什么因素有关?,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。,结合能与核
8、子数之比,称做比结合能,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。因为比结合能越大,将每个核子分开所需的能量越大。,三、结合能,什么是比结合能?为什么说比结合能越大,原子核中核子结合越牢固、原子越稳定?,四、质量亏损,物体的质量和能量有何关系?若一个物体质量减小了m,那么它的能量减小多少?,爱因斯坦的质能方程:Emc2, 能量减小E=mc2,已知中子的质量mn=1.674910-27kg,质子的质量为mp=1.672610-27kg,氘核的质量mD=3.343610-27kg。将一个质子和一个中子结合成一个氘核,质量减小了多少?能量减小了多少?氘核的结合能是多少
9、?比结合能是多少?,四、质量亏损,已知中子的质量mn=1.674910-27kg,质子的质量为mp=1.672610-27kg,氘核的质量mD=3.343610-27kg。将一个质子和一个中子结合成一个氘核,质量减小了多少?能量减小了多少?氘核的结合能是多少?比结合能是多少?,质量减小量: m=( mp+ mn)- mD=0.003910-27kg; 能量减小量: E=m c2=3.5110-13J=2.19106eV; 结合能:E=m c2=2.19MeV; 比结合能为:E/n=E/2=1.10MeV 。,四、质量亏损,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?
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