第四節核力與結合能 原子核的組成 原子核是由質子和中子組成的 質子和中子統稱為核子 電荷數 質子數質量數 質子數 中子數 核子數 一 核力及其性質 原子核的半徑約為10 15m 只相當原子半徑的萬分之一 在這么小的空間里帶正電的質子與質子間的庫侖斥力是很大 萬有引力太小 只有庫侖力的10 36 而通常原子核是穩定的 于是核內還應有另一種力把各種核子緊緊拉在一起 此力稱為核力 核力 mp mp 庫侖力 庫侖力 萬有引力 萬有引力 核力 核子靠什么力結合成原子核 核力 能夠把核中的各種核子聯系在一起的強大的力叫做核力 核力具有怎樣的特點呢 核力 2 核力是短程力 約在10 15m量級時起作用 距離大于0 8 10 15m時為引力 距離為10 10 15m時核力幾乎消失 距離小于0 8 10 15m時為斥力 3 核力具有飽和性 核子只對相鄰的少數核子產生較強的引力 而不是與核內所有核子發生作用 4 核力具有電荷無關性 對給定的相對運動狀態 核力與核子電荷無關 要真正了解核子間的相互作用還要考慮核子的組成物 夸克的相互作用 1 核力是四種相互作用中的強相互作用 強力 的一種表現 除核力外原子核內還存在弱相互作用 弱力 弱力是引起中子 質子轉變的原因弱相互作用也是短程力 力程比強力更短 為10 18m 作用強度則比電磁力小 二 重核與輕核 自然界中較輕的原子核 質子數與中子數大致相等 但對于較重的原子核 中子數大于質子數 越重的元素 兩者相差越多 為什么會這樣呢 二 重核與輕核 核越來越大 有些核子間的距離越來越遠 隨著距離的增加 核力與電磁力都會減小 但核力減小得更快 所以 原子核大到一定程度時 相距較遠的質子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力 這個原子核就不穩定了 這時 如果不再成對地增加核子 而只增加中子 中子與其他核子沒有庫侖斥力 但有相互吸引的核力 有助于維系原子核的穩定 由于這個原因 穩定的重原子核里 中子數要比質子數多 由于核力的作用范圍是有限的 如果繼續增大原子核 一些核子間的距離會大到其間根本沒有核力的作用 這時即使再增加中子也無濟于事 這樣的核必然是不穩定的 在宇宙演化的進程中 各種粒子有機會進行各種組合 但那些不穩定的組合很快就瓦解了 只有200多種穩定的原子核長久地留了下來 現在觀察到的天然放射性元素 則正在瓦解之中 某一數值時 某一數值時 相同 三 結合能 由于核子間存在著強大的核力 所以核子結合成原子核或原子核分解為核子時 都伴隨著巨大的能量變化 可見 當核子結合成原子核時要放出一定能量 原子核分解成核子時 要吸收同樣的能量 這個能量叫做原子核的結合能 三 結合能 結合能并不是由于核子結合成原子核而具有的能量 而是為把核子分開而需要的能量 比結合能 結合能與核子數之比 稱做為比結合能 也叫平均結合能 比結合能越大 表示原子核中核子結合得越牢固 原子核越穩定 三 結合能 四 質量虧損 1 例題 中子的質量 1 6749 10 27kg質子的質量 1 6726 10 27kg中子和質子的質量和 3 3475 10 27kg氘核的質量 3 3436 10 27kg質量差 0 0039 10 27kg 四 質量虧損 2 質量虧損 原子分解為核子時 質量增加 核子結合成原子核時 質量減少 原子核的質量小于組成原子核的核子的質量之和 叫做質量虧損 1 例題 愛因斯坦質能方程e mc2式中c是真空中的光速 m是物體的質量 e是物體的能量 核子在結合成原子核時出現的質量虧損 m 正表明它們在互相結合過程中放出了能量 e m c2 3 有關問題的理解和注意事項 第一 核反應過程中 核子結合成原子核時 新核質量小于核子的質量 質量虧損 同時以 光子形式釋放核能 原子核分解為核子時 需要吸收一定能量 核子的總質量大于原原子核的質量 第二 核反應過程中 質量虧損時 核子個數不虧損 即質量數守恒 可理解為組成原子核后 核內每個核子仿佛 瘦了 一些 第三 質量虧損并非質量消失 而是減少的質量 m以能量形式輻射 動質量 因此質量守恒定律不被破壞 第四 公式 e m c2的單位問題 常用單位 m用 u 原子質量單位 1u 1 660566 10 27kg e用 uc2 1uc2 931mev 表示1u的質量變化相當于931mev的能量改變 當然 2 19mev的能量的絕對數量并不算大 但這只是組成1個氘核所放出的能量 如果組成的是6 02 1023個氘核時 放出的能量就十分可觀了 與之相對照的是 使1摩的碳完全燃燒放出的能量為393 5 103j 折合為每個碳原子在完全燃燒時放出的能量只不過4ev 若跟上述核反應中每個原子可能放出的能量相比 兩者相差數十萬倍 第五 核反應中釋放或吸收的能量比化學反應中釋放或吸收的能量大好幾個數量級 課堂練習 1 試證明 1原子質量單位u相當于931 50mev的能量 1u 1 6606 27kg 光速c 2 9979 108m s 1ev 1 6022 10 19j 2 碳原子的質量是12 00000