19.5 核力与结合能
19.5 核力与结合能(解析版)
19.5 核力与结合能学习目标1．知道核力及其作用过程。
2．了解原子核中质子与中子的比例。
3．掌握结合能与质量亏损。
重点：1．爱因斯坦质能方程的理解。
2．结合能和比结合能概念。
难点：1．对爱因斯坦质能方程的理解。
2．结合能的概念。
知识点一、核力与四种基本相互作用1．20 世纪初人们只知道自然界存在着两种力：一种是万有引力，另一种是电磁力（库仑力是一种电磁力）。
在相同的距离上，这两种力的强度差别很大。
电磁力大约要比万有引力强1036 倍。
原子核里的核子间存在着一种核力，是核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。
2．核力定义：组成原子核的每个相邻核子之间存在着一种特殊的力，这种力叫做核力。
特点：核力有着完全不同于万有引力和静电力的一些性质。
（1）核力是强相互作用（强力）的一种表现，在它的作用范围内，核力比库仑力大得多。
（2）核力是短程力，作用范围在1.5×10-15 m 之内。
核力在大于0.8×10－15m 时表现为吸引力，且随距离增大而减小，超过1.5×10－15m，核力急剧下降几乎消失；而在距离小于0.8×10－15m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起。
（3）核力存在于核子之间，每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性。
1【特别提醒】核力与带电荷情况无关。
无论是质子间、中子间、质子和中子间均存在核力，且是相同的。
3．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，即引起中子转变质子的原因。
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。
4．四种基本相互作用力弱力、强力、电磁力、引力和分别在不同的尺度上发挥作用：（1）弱力（弱相互作用）：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因→短程力（2）强力（强相互作用）：在原子核内，强力将核子束缚在一起→短程力（3）电磁力：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，使原了结合成分子，使分子结合成液体和固体。
19.5 核力与结合能
与氘核质量之差为：
27
E mc
2
E mc 3.5110 J=2.19Mev 氘核的比结合能为：E =1.10Mev 2
2
13
质量亏损表明：的确存在原子核的结合能 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。
让DE变成F，或者让A变成B和C，能 不能释放核能？
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
1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． 例如：
1 0
n+ H H+
作用的引力和斥力,那么分子力实质上
属于( B )
A.引力相互作用
B.电磁相互作用
C.强相互作用和弱相互作用的共同作用
D.四种基本相互作用的共同作用
课堂练习
3.对结合能、平均结合能的认识， 下列说法错误的是(C ) A.一切原子核均具有结合能 B.自由核子结合为原子核时，可放 出能量 C.结合能越大的原子核越稳定 D.平均结合能越大的原子核越稳定
（3）. 核力与核子电荷无关。 （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。
3、弱相互作用：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（比强力更短），作用强度比 电磁力小。
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。 原因分析： 中 核越大，核子间距离增大 子 实际存在的 库仑力与核力均减少，但核力减少快 数 原子核 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
19-5核力与结合能
知识点二
结合能的计算
1．根据质量亏损计算 其步骤如下： (1)根据核反应方程， 计算核反应前和核反应后的质量亏 损 Δm. (2)根据爱因斯坦质能方程 E＝mc2 或 ΔE＝Δmc2 计算核 能．
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第十九章·5
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2．利用原子质量单位 u 和电子伏特间的关系计算 (1)明确原子质量单位 u 和电子伏特间的关系： 因为 1 u＝1.660 6×10－27 kg， 则 E＝mc2＝1.660 6×10 ≈1.49×10
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第十九章·5
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一、选择题 1．下列关于对核力的认识，正确的是( )
A．核力是强相互作用的一种表现，比库仑力大得多 B．核力存在于质子和中子、中子和中子之间，质子和 质子之间只有库仑斥力 C．核力是核子间相互吸引的力，是短程力 D．核力只存在于相邻的核子之间，具有饱和性
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2．质量亏损 Δm 的理解 所谓质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结 合成核的过程中以能量的形式辐射出去了．反过来，把原子 核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能 量要由外部供给．
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第十九章·5
【答案】
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B
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第十九章·5
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本题易错选为 A、 D.错误分析： 认为质 能方程 E＝mc2 反映的物体的质量就是能量，它们之间可以 相互转化， 故认为 A 项正确． 由于在核反应中有能量产生且 有质量亏损，就错误地认为有质量的转化，认为在反应前后 总能量不守恒，总质量亦不守恒，故认为 D 项正确．
教法分析19.5 核力与结合能
第5节核力与结合能P90只是个示意图P90旁批：……物理学家一直梦想将自然界中的四种相互作用纳入某种统一的理论之中。
爱因斯坦为此做了大半生的努力，但没有成功。
1967年，温伯格和萨拉姆首先解决了弱力与电磁力的统一问题……科学的追求，审美的体验P91原子核中质子与中子的比例－－新内容一个质子与一个中子结合在一起是氢的一种同位素――氘。
两对质子－中子相结合就是氦，8对质子－中子的结合是氧。
这些都是自然界中存在的原子核。
这样质子数与中子数相等的结构，能够形成很大的原子核吗？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。
……可以设想，我们把质子与中子成对地放在一起，人工构建原子核，它的质子数与中子数相等。
人工核越来越大，有些核子间的距离越来越远。
随着距离的增加，核力与电磁力都会减小，但核力减小得更快。
所以，原子核大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了。
这时，如果不再成对地增加核子，而只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，有助于维系原子核的稳定。
由于这个原因，稳定的重原子核里，中子数要比质子数多。
由于核力的作用范围是有限的，如果继续增大原子核，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也无济于事，这样的核必然是不稳定的。
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。
P91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↓比结合能↓质量亏损↓核能。
19.5核力与结合能
质量亏损
例题：请计算一下方程左右的质量
1 0
n H H
1 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 = 0.0039×10－27Kg
理想的质子数 和中子数相等 的稳定原子核
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。
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
质子数
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。结合能与质量亏损 （1） 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． (2)比结合能：原子核的结合能与 核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 ， 中等大小 的核的比结合 能最大、最稳定。 注意：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。 在数值上：结合能=当核子结合成原子核时要放出一定能量
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。 [名师点睛] 比结合能比结合能更有意义，它反映了
原子核结合的稳定程度或分裂的难易程度。
3 4 1 1．氘核和氚核聚变时的核反应方程为2 H ＋ H → He ＋ 1 1 2 0 2 n，已知3 H 的平均结合能是 2.78 MeV ， 1 1H 的平均结合能是 4 1.09 MeV，2 He 的平均结合能是 7.03 MeV，试计算核反应
第十九章 第5节 核力与结合能
(2)为什么核电荷数越多的原子核越不稳定？ 提示：核电荷数越多的原子核中，有些核子之间的距离越来
越大，随着距离增大，核力和质子间的斥力都减小，但核力 减小得更快，当原子核大到一定程度时，核力会小于质子间 的斥力，原子核就不稳定了。
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(
)
解析：由于原子核带正电，不存在只有中子的原子核，但核力 也不能把非常多的质子聚集在一起组成原子核，原因是核力是 短程力，质子之间还存在“长程力”——库仑力，A、B 错误； 自然界中存在只有一个质子的原子核，如1 1H，C 错误；较大质 量的原子核内只有存在一些中子，才能削弱库仑力，维系原子 核的稳定，故 D 正确。
(4)原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量。 (× ) (5)比结合能越大，原子核越稳定。 (√ )
(6)质能方程 E＝mc2 表明了质量与能量间的一种对应关系。 (√ )
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结
束
2．合作探究——议一议 (1)质子之间存在库仑力，质子与中子、中子与中子之间没有库 仑力，那么是不是质子之间存在核力，质子与中子、中子与 中子之间没有核力？ 提示：不是。核力是短程力，存在于相邻的核子之间，无论
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结
束
结合能、比结合能与原子核的稳定性
1．结合能 要把原子核分开成核子时吸收的能量或核子结合成原子核 时放出的能量。 2．比结合能 等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比值， 它反映了 原子核的稳定程度。
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结
束
3．比结合能曲线 不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图 1951 所示。
人教版高中物理选修3-5基础过关+对点训练：19.5 核力与结合能 Word版含解析
3．下列说法正确的是( )
A．质子数与中子数相等的原子核最稳定
B．若两个核子间的距离为1.2×10－15 m，则它们间的核力表现为引力
C．两个核子间的核力一定为引力
D．两个质子间的核力与库仑力一定是一对平衡力
解析：中等质量的原子核最稳定，但这些原子核内的质子数和中子数不一定相等，A错误；两个核子间的距离0.8×10－15 m<r<1.5×10－15 m时表现为引力，r<0.8×10－15 m时表现为斥力，B正确，C错误．一个质子可以受到多个质子对它的库仑力作用，而核力只发生在相邻的核子间，两个质子间的核力与库仑力不一定形成平衡力，D错误．
1.[2019·四川绵阳检测]关于原子核中质子和中子的说法，正确的是( )
A．原子核中质子数和中子数一定相等
B．稳定的重原子核里，中子数比质子数多
C．原子核都是非常稳定的
D．两个质子之间，不管距离如何，核力总是大于库仑力
解析：原子核中质子数和中子数不一定相等，特别是在原子序数大的重原子核中，中子数比质子数多，且原子序数大的和原子序数小的都没有中等质量的原子核稳定，故A、C错误，B正确．核力是短程力，作用范围在1.5×10－15 m内，超过此范围，核力急剧减小，会小于库仑力，D错误．
答案：BC
2．如图，原子核的平均核子质量A与原子序数Z的关系图象，下列说法正确的是( )
A．若D、E能结合成F，结合过程一定要释放能量
B．若D、，结合过程一定要释放能量
D．若F、C能结合成B，结合过程一定要释放能量
解析：由ΔE＝Δmc2可知，释放能量时生成物比反应物质量小，反之则大．根据题图可知，D、E结合成F，核子数不变，质量减少，释放能量，A选项正确．
19.5与19.6核力结合能与核裂变
〓
裂变
铀核的裂变 1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手 斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生 了裂变。铀核裂变的产物是多种多样的，一种典 型的反映是裂变为钡和氪，同时放出三个中子， 其核反应方程是：
235 92
U n
1 +0
→141 56
Ba
92 + 36
Kr +3 n
1 0
裂变中释放出巨大的能量，在上述裂变中，裂 变后的总质量小于裂变前的总质量，质量亏损：
二、质量亏损的理解
• 1、质量亏损并不是这部分质量消失或者质 量转变为能量。 • 2、物体的质量应包括静止质量与运动质量， 质量亏损是静止质量的减少，减少的静止 质量转换为和辐射能量相联系的运动质量。 • 3、辐射γ光子的动质量刚好等于亏损的质 量，所以严格讲：核反应前后仍然遵循质 量守恒和能量守恒。
一、有关问题的理解和注意事项
第一、核反应过程中: 核子结合成原子核时,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 子的总质量大于原来原子核的质量。 第二、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。 第三、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。
原子弹
原子弹
“小玩意儿”钚装药重6.1千克，TNT当量2.2万吨， 试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压， 致使一座30米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上 形成一个巨大的弹坑．
在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿 色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所有的 动物全部死亡．
19.5 核力与结合能PPT课件
改变)
第五.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.
当然，2.19MeV的能量的绝对数量并不算大， 但这只是组成1个氘核所放出的能量．如果 组成的是6.02×1023个氘核时，放出的能量 就十分可观了．与之相对照的是，使1摩的 碳完全燃烧放出的能量为393.5×103J．折 合为每个碳原子在完全燃烧时放出的能量只 不过4eV．若跟上述核反应中每个原子可能 放出的能量相比，两者相差数十万倍．
1 1
H
10
n
2 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.核子结合成核时，一定释放核能
D.γ光子具有的能量为 mc2
m 为核反应中的质量亏损
要真正了解核子间的相互作用还要考虑核子的组成 物——夸克的相互作用。
除核力外原子核内还存在 弱相互作 用（弱力）
弱力是引起中子－质子转变的原因
弱相互作用也是短程力，力程比强力 更短，为10－18m，作用强度则比电磁 力小。
1.万有引力：引力主要在宏观和宇观尺度上“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。
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。
比结合能：结合能与核子数之比，称为 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。
教学设计4：19.5 核力与结合能
5 核力与结合能新课标要求1．内容标准（1）知道原子核的组成。
知道放射性和原子核的衰变。
会用半衰期描述衰变速度，知道半衰期的统计意义。
（2）了解放射性同位素的应用。
知道射线的危害和防护。
例1 了解放射性在医学和农业中的应用。
例2 调查房屋装修材料和首饰材料中具有的放射性，了解相关的国家标准。
（3）知道核力的性质。
能简单解释轻核与重核内中子数、质子数具有不同比例的原因。
会根据质量数守恒和电荷守恒写出核反应方程。
（4）认识原子核的结合能。
知道裂变反应和聚变反应。
关注受控聚变反应研究的进展。
（5）知道链式反应的发生条件。
了解裂变反应堆的工作原理。
了解常用裂变反应堆的类型。
知道核电站的工作模式。
（6）通过核能的利用，思考科学技术与社会的关系。
例3 思考核能开发带来的社会问题。
（7）初步了解恒星的演化。
初步了解粒子物理学的基础知识。
例4 了解加速器在核物理、粒子物理研究中的作用。
2．活动建议：（1）通过查阅资料，了解常用的射线检测方法。
（2）观看有关核能利用的录像片。
（3）举办有关核能利用的科普讲座。
新课程学习19．5 核力与结合能★新课标要求（一）知识与技能1．知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用；2．知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小；3．理解结合能的概念，知道核反应中的质量亏损；4．知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系。
（二）过程与方法1．会根据质能方程和质量亏损的概念计算核反应中释放的核能；2．培养学生的理解能力、推理能力、及数学计算能力。
（三）情感、态度与价值观1．使学生树立起实践是检验真理的标准、科学理论对实践有着指导和预见作用的能力；2．认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义。
★教学重点质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解。
★教学难点结合能的概念、爱因斯坦的质能方程、质量与能量的关系。
★教学方法教师启发、引导，学生讨论、交流。
★教学用具：多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。
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力，但有相互吸引的核力，有助于维系原子
核的稳定。由于这个原因，稳定的重原子核 里，中子数要比质子数多。
质子数
3.核的稳定性：由于核力的作用 范围是有限的，以及核力的饱和性， 中
子
如果我们我们继续增大原子核，一些 数 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。
B.比结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大 C.重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和比结合能都大 D.中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大
例2.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
4.宇宙演化结果：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。
实际存 在的原 子核
理想的质 子数和中子 数相等的稳 定原子核
质子数
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：两个物体，由于万有引力而相互接近，速度越 来越大，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。
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。
1 0
n11H
12
H
2 1
H
1 1
H
1 0
n
自然，组成原子核的核子 越多，它的结合能越大。真正 有意义的是它的结合能与核子 数之比，称做为比结合能，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。
的比结合能。
10n
1 1
H
12
H
γ
质量亏损: Δm = 0.0039×10－27 Kg 释放能量: ΔE = Δmc2 = 3.51×10-13 J= 2.19 MeV
比结合能为： 2.19 MeV =1.10 MeV 2
原子核中有质子和中子，统 称为核子。质子间存在着巨大的 库仑斥力，为什么还能挤在一起 而不飞散？
能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力
1. 核力：使核子组成原子核的作用力
（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，如右图。 （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。
3.四种基本相互作用
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，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多。
为什么会这样呢？
中
子
数
1.轻核：核子数量小，间距处于核力作
用范围之内，核力远大于电磁力，形成稳定
实际存 在的原 子核
的原子核。
2.重核：核子数量大，相距较远的质子 间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，如 果只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥
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。
三、结合能
四、质量亏损
质子+中子
氘核
计算可知，一个质子和一个中子
结合成一个氘核后，总质量减少了，
却释放出了光能。
原子核的质量小于组成它的核子 的质量之和，这个现象叫做质量亏损。
1 0
n
11H
2 1
H
E mc2
E mc2
例1．下面关于结合能和比结合能的说法中，正确的有（ D ）
A.核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称 为结合能
第十九章 原子核
19.5 核力与结合能
课标解读
1. 了解四种基本相互作用，知道核力的特点。 2．认识原子核的结合能及质量亏损，并能应用质能方程
进行计算。 3. 能简单解释轻核和重核内中子数、质子数具有不同比
例的原因。
一、核力与四种基本相互作用
20世纪初，人们只知道自然 界存在着两种力：一种是万有引 力，另一种是电磁力。
（4）核力具有电荷无关性。对于给定的 相对运动状态，质子-质子、中子-质子和中子 -中子间的核力都是相同的。
类比弹簧
斥力 引力 F核 0
0.8 1015 m 1.5 1015 m
2.弱相互作用 除核力外，核物理学家还在原子核内发现了自然界的第
四种相互作用一一弱相互作用(弱力)，弱相互作用是引起 原子核β衰变的原因，即引起中子——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。