人教版高中物理选修3-5第十九章1核力与结合能(33张)-PPT优秀课件
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万有引力远小于库仑力(10-35)，质子间 无法依靠引力抗衡库仑斥力.原子核的稳定 存在说明核子间存在一种很强的相互作用 力——核力，将核子仅仅束缚在核内.
核力的性质，要通过实验确定.例如核 子-核子散射实验、氘核(最简单的两核子组 成体，“柿子专挑软的捏”)性质实验.通过 对散射实验结果分析认识核力的特点.
17
四、质量亏损和结合能
实验发现，原子核的质量总是小于组 成它的核子的质量和.
表1 一些粒子的质量和能量
粒子 电子e
静止质量m0/u 0.00054858
能量m0c2/MeV 0.51100
质子p
1.007276
938.272
中子n
1.008665
939.565
氘核d
2.013553
1875.613
库仑力远远小于核力，库仑力做功远 小于克服核力做功.
21
一般总有体系的质量比起组分的各个质 量之和小。分子的质量小于各个原子质量之 和，原子的质量小于原子核质量与电子质量 之和.
任何两个物体结合在一起，都会释放一 部分能量.一般情况下，释放的能量微乎其微， 无需考虑.例如电子和质子组成氢原子时，放 出13.6eV的能量，相对于电子的静能可以忽 略.
中正确的是（ CD ）
A.此反应过程质量减少0.0103u
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比结合能
原子核平均每个核子的结合能，即结 合能除以核子个数.
Ɛ=B/A 比结合能越大，将一个核子从原子核 取出所需要的能量越多，原子核中核子结合 得越牢固，原子核越稳定.
比结合能小的核变成比结合能大的核，即
结合得比较松的核变到结合得紧的核，发生质 量亏损，释放出能量.因此，有两个途径可以获 得能量：
1.重核分裂，一个重核分裂成两个中等质 量的核；(例如原子反应堆、原子弹)
2.轻核聚变.(例如氢弹)
原子能(即核能)主要指原子核结合能发生 变化时释放的能量.
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力程
∞
10-18m
∞
10-15m
耦合强度 10-39
10-5
10-2
1
图2 通过抛接小球两个人施加相互作用
eA
γ B
e-
e-
图3 两个电子交换虚光子相互作用
8
n
pp
p
π+
π0
p
np
p
p
n
π-
n
p
图4 π介子作为核力的传播子
汤川秀树(1907-1981)1935提出核力通过交换介子相互作用， 由力程预言介子的质量.1947年介子被发现.汤川秀树获得 1949年诺贝尔物理学奖.
32
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用质子轰击锂核( 7Li)生成两个α 粒子，以此进行有名 的验证爱因斯坦质能方程的实验，已知质子初动能是 0.6MeV，质子、α粒子和锂核的质量分别是1.0073u、 4.0015u和7.0160u.已知1u相当于931.5MeV，下列叙述
只要有质量m，物体本身必有E=mc2的能量； 只要有能量E，必有质量E/c2.
“不存在没有运动的物质，也不存在 没有物质的运动，物质和运动之间存在着不 可分割的联系.”
∆m=∆E/c2 能量改变∆E，质量相应改变∆E/c2.
14
物体速度为 v 时的质量与物体的静止
质量m0满足如m下关系：m0 1 (v)2 c
12
质子数很大的核不能稳定存在
核力作用力程较短，当质子数目继续增加， 即使增加中子数目，但核子间距较远，核力 为0，无法和电磁力平衡，形成的核无法稳 定存在.
核力的饱和性、短程性以及电磁作用 力的特点决定稳定核素中的中子数和质子数 关系
13
三、质能方程
E=mc2 问题“：物如体何的理质解量质是能它方所含程能？量的量度”.
比结合能/MeV 1.112 2.573 7.07 5.61 7.68 7.70 7.98 7.75 8.55 8.79 8.43 7.59 7.57
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课堂练习 2
天然放射性现象中238U发生α衰变后变成 234Th，已知238U、234Th和α粒子的质量分别 是m1、m2和m3，它们之间应满足（ C ） A. m1=m2+m3 B. m2=m1+m3 C. m1>m2+m3 D. m1<m2+m3
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线
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课堂练习 1
下列说法中正确的是（ A ）
A.核力的作用距离很短，只发生在相邻的两核子之 间
③ 曲线形状为两端低，中间高.中等质量的核 结合得比较紧.很轻的核和很重的核结合得 较松散.
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结合能
①自由核子组成原子核所释放的能量； ②将原子核中的核子分开，使核子成 为自由核子，外界提供的能量.
结合能：B=[Zmp+Nmn-m(Z,A)]c2
结合能越大，将核子分开，提供的能
量就越多；自由核子形成原子核释放的能量 越多.
29
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小结
核力特点 ①强相互作用②短程性、饱和性③电荷无关 性
原子核中子与中子比例 1.稳定核中子数和质子数特点 2.解释
质能方程E=mc2；方程含义 质量亏损、结合能、比结合能、比结合能曲
3
核力的主要性质
核力是强相互作用
实验发现，核力约比库仑力大一百倍，从而 维持核子不散开.核力主要表现为吸引力.
核力的短程性和饱和性
(1)核力力程是fm(10-15m)量级，小于原子核
限度.超过核力力程，核力急剧减小为0.
(2)每个核子只与临近的核子发生核力作用，
相邻核子数目有限，核力具有明显的饱和性.
9
二、原子核中质子与中子的比例
问题：观察教材图19.5-2. 稳定核的质子数与 中子数的关系，思考： 中子数和质子数图线有何特点？ 对于轻核，质子数和中子数有何关系？ 重核中的中子数和质子数有何特点？ 如何解释中子数与质子数的这种关系？
10
稳定核的质子数和中子数关系
N 140
120
100
物体速度v < c，有 m > m0，即物体运 动时的质量m总大于静止时的质量m0.
15
例 1 计算1u相当于多少能量？
解
1u=12C原子质量的(1/12).
1mol12C共12g，有NA个12C原子.故
1u
12 NA
1 12
1 6.02 1023
g
1.6605387 10-27 kg
E
1.6605387 1027 (299792458)2 1.602 1019
5
核力与结合能
临泉一中
原子核中存在质子和中子.中子不带电， 质子带正电。质子间存在很强的库仑斥力， 然而质子却没有飞散.原子核稳定存在，说 明核子间除库仑斥力外，一定还存在吸引力.
问题：是否有可能是质子间的万有引 力使质子维持在核内？
若不是万有引力，你对核子间的作用 力有何推测？
2
一、核力与四种基本相互作用
B.两个质子之间，不管距离如何，核力总是大于库 仑力
C.同一种元素的原子核有相同的质量数，但中子数 可以不同
D.除万有引力外，两个中子之间不存在其他相互作 用力
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
eV=931.5MeV
16
思考与讨论：对于宏观物体，如运动 汽车、高铁、超音速飞机、人造地球卫星等， 是否要考虑由于运动导致的质量变化？
宏观物体，速度远小于光速(例如卫星， 第一宇宙速度约103m/s，(v/c)2数量级为1010)，质量变化不需要考虑.然而，对于高能 粒子，其速度接近光速，相对论效应必须考 虑.
氚核t
3.015501
2808.921
氦核α
4.001506
3727.379
18
组成某一原子核的核子质量和该原子 核质量之差称为原子核的质量亏损.
核子结合成原子核，核子总个数不变， 但每个核子的质量都比没有结合时的自由核 子质量略“小”了一些，产生质量亏损.
问题：质量是能量的量度，E=mc2.自由 核子形成原子核，是放出能量还是吸收能量？
4
核力的电荷无关性
质子与质子之间的核力、中子与中子间的 核力、质子与中子之间的核力相等.
p
n
nn
pp
3 1
H
3 2
He
图1 核力与电荷无关
5
相互作用 引力
弱
电磁
强
表现形式 天体
β 放射性 日常世界 原子核
量子观点 传递粒子
引力子
n→p+e+ve
m1
m2
引力子? W± 、Z0
光子
q1
q2
光子
胶子
原子核的比结合能曲线 27
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① A<30，曲线为上升趋势，但存在明显起伏. 在4He、12C、O16等位置比结合能出现峰值， 这些原子核质子数、中子数都为偶数，称为 偶偶核.
② A>30，比结合能大约为8MeV.比结合能近 似为常数，结合能正比于质量数A.
80
60
40
20
0
Z
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
11
轻核的质子数与中子数近似相等
对于轻核，质子和中子若成对存在，核力与 电磁力(即库仑斥力)平衡，能稳定存在.
重核的中子数多与质子数
质子数目增多，核半径增大，相聚较远的质 子间核力较弱，而电磁力是长程力，相距较 远质子间仍存在较强的库仑斥力.可通过增 加中子数目使质子受到的核力增强，平衡电 磁力.
比结合能
B=(mp+mn-mD)c2 Ɛ=B/2
代入数据解得，
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Ɛ=2.19MeV
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质量是能量的量度，质量发生亏损， 原子核的能量小于各个核子能量之和.能量 守恒，自由核子形成原子核过程向外释放出 能量.
反之，若将原子核中核子分开，核子 间存在很强的核力(吸引力)，需要克服核力 做功，必须提供能量.
20
思考与讨论：在将核子分开虽然要克 服核力做功，质子与质子间的库仑力对质子 做功.库仑力做功是否有可能等于克服核力 做功，使得将核子分开不需要外界做功？
表2 一些核素的结合能和比结合能
核素 2H 3He 4He 7Li 12C 15N 16O 17O 40Ca 56Fe 132Xe 235U 238U
结合能/MeV 2.224 7.718 28.30 39.24 92.16 115.49 127.61 131.76 342.05 492.3 1112.4 1783.8 1801.6
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例 2 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. 解 结合能为
核力的性质，要通过实验确定.例如核 子-核子散射实验、氘核(最简单的两核子组 成体，“柿子专挑软的捏”)性质实验.通过 对散射实验结果分析认识核力的特点.
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四、质量亏损和结合能
实验发现，原子核的质量总是小于组 成它的核子的质量和.
表1 一些粒子的质量和能量
粒子 电子e
静止质量m0/u 0.00054858
能量m0c2/MeV 0.51100
质子p
1.007276
938.272
中子n
1.008665
939.565
氘核d
2.013553
1875.613
库仑力远远小于核力，库仑力做功远 小于克服核力做功.
21
一般总有体系的质量比起组分的各个质 量之和小。分子的质量小于各个原子质量之 和，原子的质量小于原子核质量与电子质量 之和.
任何两个物体结合在一起，都会释放一 部分能量.一般情况下，释放的能量微乎其微， 无需考虑.例如电子和质子组成氢原子时，放 出13.6eV的能量，相对于电子的静能可以忽 略.
中正确的是（ CD ）
A.此反应过程质量减少0.0103u
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比结合能
原子核平均每个核子的结合能，即结 合能除以核子个数.
Ɛ=B/A 比结合能越大，将一个核子从原子核 取出所需要的能量越多，原子核中核子结合 得越牢固，原子核越稳定.
比结合能小的核变成比结合能大的核，即
结合得比较松的核变到结合得紧的核，发生质 量亏损，释放出能量.因此，有两个途径可以获 得能量：
1.重核分裂，一个重核分裂成两个中等质 量的核；(例如原子反应堆、原子弹)
2.轻核聚变.(例如氢弹)
原子能(即核能)主要指原子核结合能发生 变化时释放的能量.
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力程
∞
10-18m
∞
10-15m
耦合强度 10-39
10-5
10-2
1
图2 通过抛接小球两个人施加相互作用
eA
γ B
e-
e-
图3 两个电子交换虚光子相互作用
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n
pp
p
π+
π0
p
np
p
p
n
π-
n
p
图4 π介子作为核力的传播子
汤川秀树(1907-1981)1935提出核力通过交换介子相互作用， 由力程预言介子的质量.1947年介子被发现.汤川秀树获得 1949年诺贝尔物理学奖.
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用质子轰击锂核( 7Li)生成两个α 粒子，以此进行有名 的验证爱因斯坦质能方程的实验，已知质子初动能是 0.6MeV，质子、α粒子和锂核的质量分别是1.0073u、 4.0015u和7.0160u.已知1u相当于931.5MeV，下列叙述
只要有质量m，物体本身必有E=mc2的能量； 只要有能量E，必有质量E/c2.
“不存在没有运动的物质，也不存在 没有物质的运动，物质和运动之间存在着不 可分割的联系.”
∆m=∆E/c2 能量改变∆E，质量相应改变∆E/c2.
14
物体速度为 v 时的质量与物体的静止
质量m0满足如m下关系：m0 1 (v)2 c
12
质子数很大的核不能稳定存在
核力作用力程较短，当质子数目继续增加， 即使增加中子数目，但核子间距较远，核力 为0，无法和电磁力平衡，形成的核无法稳 定存在.
核力的饱和性、短程性以及电磁作用 力的特点决定稳定核素中的中子数和质子数 关系
13
三、质能方程
E=mc2 问题“：物如体何的理质解量质是能它方所含程能？量的量度”.
比结合能/MeV 1.112 2.573 7.07 5.61 7.68 7.70 7.98 7.75 8.55 8.79 8.43 7.59 7.57
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课堂练习 2
天然放射性现象中238U发生α衰变后变成 234Th，已知238U、234Th和α粒子的质量分别 是m1、m2和m3，它们之间应满足（ C ） A. m1=m2+m3 B. m2=m1+m3 C. m1>m2+m3 D. m1<m2+m3
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课堂练习 1
下列说法中正确的是（ A ）
A.核力的作用距离很短，只发生在相邻的两核子之 间
③ 曲线形状为两端低，中间高.中等质量的核 结合得比较紧.很轻的核和很重的核结合得 较松散.
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结合能
①自由核子组成原子核所释放的能量； ②将原子核中的核子分开，使核子成 为自由核子，外界提供的能量.
结合能：B=[Zmp+Nmn-m(Z,A)]c2
结合能越大，将核子分开，提供的能
量就越多；自由核子形成原子核释放的能量 越多.
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小结
核力特点 ①强相互作用②短程性、饱和性③电荷无关 性
原子核中子与中子比例 1.稳定核中子数和质子数特点 2.解释
质能方程E=mc2；方程含义 质量亏损、结合能、比结合能、比结合能曲
3
核力的主要性质
核力是强相互作用
实验发现，核力约比库仑力大一百倍，从而 维持核子不散开.核力主要表现为吸引力.
核力的短程性和饱和性
(1)核力力程是fm(10-15m)量级，小于原子核
限度.超过核力力程，核力急剧减小为0.
(2)每个核子只与临近的核子发生核力作用，
相邻核子数目有限，核力具有明显的饱和性.
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二、原子核中质子与中子的比例
问题：观察教材图19.5-2. 稳定核的质子数与 中子数的关系，思考： 中子数和质子数图线有何特点？ 对于轻核，质子数和中子数有何关系？ 重核中的中子数和质子数有何特点？ 如何解释中子数与质子数的这种关系？
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稳定核的质子数和中子数关系
N 140
120
100
物体速度v < c，有 m > m0，即物体运 动时的质量m总大于静止时的质量m0.
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例 1 计算1u相当于多少能量？
解
1u=12C原子质量的(1/12).
1mol12C共12g，有NA个12C原子.故
1u
12 NA
1 12
1 6.02 1023
g
1.6605387 10-27 kg
E
1.6605387 1027 (299792458)2 1.602 1019
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核力与结合能
临泉一中
原子核中存在质子和中子.中子不带电， 质子带正电。质子间存在很强的库仑斥力， 然而质子却没有飞散.原子核稳定存在，说 明核子间除库仑斥力外，一定还存在吸引力.
问题：是否有可能是质子间的万有引 力使质子维持在核内？
若不是万有引力，你对核子间的作用 力有何推测？
2
一、核力与四种基本相互作用
B.两个质子之间，不管距离如何，核力总是大于库 仑力
C.同一种元素的原子核有相同的质量数，但中子数 可以不同
D.除万有引力外，两个中子之间不存在其他相互作 用力
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eV=931.5MeV
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思考与讨论：对于宏观物体，如运动 汽车、高铁、超音速飞机、人造地球卫星等， 是否要考虑由于运动导致的质量变化？
宏观物体，速度远小于光速(例如卫星， 第一宇宙速度约103m/s，(v/c)2数量级为1010)，质量变化不需要考虑.然而，对于高能 粒子，其速度接近光速，相对论效应必须考 虑.
氚核t
3.015501
2808.921
氦核α
4.001506
3727.379
18
组成某一原子核的核子质量和该原子 核质量之差称为原子核的质量亏损.
核子结合成原子核，核子总个数不变， 但每个核子的质量都比没有结合时的自由核 子质量略“小”了一些，产生质量亏损.
问题：质量是能量的量度，E=mc2.自由 核子形成原子核，是放出能量还是吸收能量？
4
核力的电荷无关性
质子与质子之间的核力、中子与中子间的 核力、质子与中子之间的核力相等.
p
n
nn
pp
3 1
H
3 2
He
图1 核力与电荷无关
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相互作用 引力
弱
电磁
强
表现形式 天体
β 放射性 日常世界 原子核
量子观点 传递粒子
引力子
n→p+e+ve
m1
m2
引力子? W± 、Z0
光子
q1
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光子
胶子
原子核的比结合能曲线 27
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① A<30，曲线为上升趋势，但存在明显起伏. 在4He、12C、O16等位置比结合能出现峰值， 这些原子核质子数、中子数都为偶数，称为 偶偶核.
② A>30，比结合能大约为8MeV.比结合能近 似为常数，结合能正比于质量数A.
80
60
40
20
0
Z
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
11
轻核的质子数与中子数近似相等
对于轻核，质子和中子若成对存在，核力与 电磁力(即库仑斥力)平衡，能稳定存在.
重核的中子数多与质子数
质子数目增多，核半径增大，相聚较远的质 子间核力较弱，而电磁力是长程力，相距较 远质子间仍存在较强的库仑斥力.可通过增 加中子数目使质子受到的核力增强，平衡电 磁力.
比结合能
B=(mp+mn-mD)c2 Ɛ=B/2
代入数据解得，
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Ɛ=2.19MeV
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质量是能量的量度，质量发生亏损， 原子核的能量小于各个核子能量之和.能量 守恒，自由核子形成原子核过程向外释放出 能量.
反之，若将原子核中核子分开，核子 间存在很强的核力(吸引力)，需要克服核力 做功，必须提供能量.
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思考与讨论：在将核子分开虽然要克 服核力做功，质子与质子间的库仑力对质子 做功.库仑力做功是否有可能等于克服核力 做功，使得将核子分开不需要外界做功？
表2 一些核素的结合能和比结合能
核素 2H 3He 4He 7Li 12C 15N 16O 17O 40Ca 56Fe 132Xe 235U 238U
结合能/MeV 2.224 7.718 28.30 39.24 92.16 115.49 127.61 131.76 342.05 492.3 1112.4 1783.8 1801.6
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例 2 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. 解 结合能为