1、第第1節節 核力與核能核力與核能原子核的組成1142235 92AZ核力及其性質核力及其性質 元素符號元素符號 原子核是由質子和中子組成，質子帶正電，原子核是由質子和中子組成，質子帶正電，中子不帶電。原子核的直徑約為中子不帶電。原子核的直徑約為10-15m , 只相當只相當原子直徑的十萬分之一。原子直徑的十萬分之一。在這么小的空間里帶正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的，那帶正電的質子與質子間的庫侖斥力是很大的，那帶正電的質子為什么能擠在一起而不飛散？電的質子為什么能擠在一起而不飛散？核力核力mpmp庫侖力庫侖力庫侖力庫侖力萬有萬有引力引力萬有萬有引力引力核力核力 核子靠什

2、么力結合成原子核？核子靠什么力結合成原子核？是萬有引力作用嗎？萬有引力太小，只有庫侖力的萬有引力太小，只有庫侖力的10-36。質子要靠萬有引力來。質子要靠萬有引力來抗衡相互間的庫侖力是不可能的。即萬有引力不可能使核抗衡相互間的庫侖力是不可能的。即萬有引力不可能使核子緊緊約束在一起。子緊緊約束在一起。理論驗證：質子相互間距數量級是理論驗證：質子相互間距數量級是10-15m，質子質量，質子質量數量級數量級10-27kg，質子帶電量數量級，質子帶電量數量級10-19C，萬有引力，萬有引力常量數量級常量數量級10-11，靜電力常量數量級，靜電力常量數量級109。可算出萬。可算出萬有引力數量級有引力數量

3、級10-35N，庫倫斥力數量級，庫倫斥力數量級101N。猜想：除了萬有引力和靜電力之外還存在一種力，這猜想：除了萬有引力和靜電力之外還存在一種力，這種力使核子緊緊拉在一起，我們物理學上把它叫核力。種力使核子緊緊拉在一起，我們物理學上把它叫核力。1、核力：能夠把核中的各種核子聯系在一、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起的強大的力叫做核力一、核力：一、核力：2、特點：、特點： （2）. 核力是短程力。核力是短程力。作用范圍在作用范圍在2fm（210-15m）左右。）左右。（1）. 核力具有電荷無關性。核力具有電荷無關性。無論是質子間、中子間或質子和中子間均存在核力。無論是質子

4、間、中子間或質子和中子間均存在核力。力的作用范圍叫力程。力的作用范圍叫力程。短程力：力的作用范圍很小，影響力隨距離的增大而急速減小。短程力：力的作用范圍很小，影響力隨距離的增大而急速減小。長程力：力的作用范圍大，影響力隨距離的增大而緩慢減小，長程力：力的作用范圍大，影響力隨距離的增大而緩慢減小，如庫侖力、萬有引力。如庫侖力、萬有引力。距離距離大于大于0.810-15m時為引力時為引力, 隨距離的增大而減小；隨距離的增大而減小；距離超過距離超過1.510-15m時核力急劇下降幾乎消失；時核力急劇下降幾乎消失；距離小于距離小于0.810-15m時為斥力，因此核子不會融合在一起。時為斥力，因此核子不

5、會融合在一起。（3）核力是強相互作用（強力）的一種表現。在作用）核力是強相互作用（強力）的一種表現。在作用范圍內，核力比庫侖力大得多。范圍內，核力比庫侖力大得多。核子只對相鄰的核子產生較強的引力，而不是與核核子只對相鄰的核子產生較強的引力，而不是與核內所有核子發生作用。內所有核子發生作用。（4）核力具有飽和性。）核力具有飽和性。自然界中的四種基本相互作用力：萬有引力磁力自然界中的四種基本相互作用力：萬有引力磁力強相互作用力弱相互作用力。強相互作用力弱相互作用力。 由于核力的作用范圍是有限的，如果繼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續增大原子核，一些核子間的

6、距離會大到其間根本沒有核力的作用，這時即使再增加中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。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進行各種組合，但那些不穩定的組合很快就瓦解了，只有瓦解了，只有200多種穩定的原子核長久地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，留了下來。現在觀察到的天然放射性元素，則正在瓦解之中。則正在瓦解之中。 由于核子間存在著強大的核力，所以核子由于核子間存在著強大的核力，所以核子結合結合成原子核成原子核或原子核或

7、原子核分解分解為核子時，都伴隨著巨大的能量變化為核子時，都伴隨著巨大的能量變化 nHHHHn101121211110例如：反之，核子結合成原子核時，也會放出同樣多的能量。這個反之，核子結合成原子核時，也會放出同樣多的能量。這個能量叫做能量叫做原子核的結合能。原子核的結合能。因此氘核的結合能是因此氘核的結合能是2.2Mev。結合能可以以光子的形式放出來。結合能可以以光子的形式放出來。三、結合能三、結合能nHHHHn101121211110例如：分解：分解：結合：結合：為光子，其能量為光子，其能量2.2MeV，反應才能發生，反應才能發生由于核子間存在強大的核力，要把原子核拆散成核子，由于核子間存在

8、強大的核力，要把原子核拆散成核子，要克服核力做功，必須吸收一定的能量。要克服核力做功，必須吸收一定的能量。1、結合能、結合能結合能結合能并不是由于核子結合成原子核而具有的并不是由于核子結合成原子核而具有的能量，而是為把原子核分開而能量，而是為把原子核分開而需要需要的能量或者的能量或者結合成原子核需要結合成原子核需要放出放出的能量。的能量。2、平均結合能（比結合能）、平均結合能（比結合能）（1）定義：平均每個核子的結合能。）定義：平均每個核子的結合能。用原子核的結合能除以質量數（核子數）就得到平均結合用原子核的結合能除以質量數（核子數）就得到平均結合能。能。說明：說明： 平均結合能越大，表示原子

9、核中核子結合得越平均結合能越大，表示原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩定。牢固，原子核越穩定。平均結合能是核子結合成原子核時每個核子平均放出的能量，也是平均結合能是核子結合成原子核時每個核子平均放出的能量，也是把原子核分解成自由核子時每個核子平均吸收的能量。把原子核分解成自由核子時每個核子平均吸收的能量。（2）平均結合能與原子核的穩定性）平均結合能與原子核的穩定性從圖象上看，哪一種原子的比結合能更大？從圖象上看，哪一種原子的比結合能更大？核子數較小的輕核與核子數較大的重核，平核子數較小的輕核與核子數較大的重核，平均結合能都比較小，中等核子數的原子核平均均結合能都比較小，中等核子數的原子核平均

10、結合能較大，表示這些原子核越穩定。結合能較大，表示這些原子核越穩定。當平均結合能較小的原子核轉化成平均結合能當平均結合能較小的原子核轉化成平均結合能較大的原子核時就可釋放核能。較大的原子核時就可釋放核能。如一個核子數較大的重核分裂成兩個核子數小一如一個核子數較大的重核分裂成兩個核子數小一些的核，或者兩個核子數很小的輕核結合成一個些的核，或者兩個核子數很小的輕核結合成一個核子數大一些的核，都能釋放出巨大的核能。核子數大一些的核，都能釋放出巨大的核能。四、質量虧損四、質量虧損中子的質量中子的質量 =1.6749=1.6749 10102727Kg Kg 質子的質量質子的質量 = = 1.67261

11、027Kg 中子和質子的質量和中子和質子的質量和 = = 3.34751027Kg 氘核的質量氘核的質量 = = 3.34361027Kg 質量差質量差 = = 0.00391027Kg 問題分析：質子與中子結合成氘核問題分析：質子與中子結合成氘核前后總質量的差異前后總質量的差異nHHHHn101121211110例如：核子結合成原子核時，質量減少。核子結合成原子核時，質量減少。原子分解為核子原子分解為核子時，質量增加。時，質量增加。可見，核反應前后，總質量并不相等！可見，核反應前后，總質量并不相等！1、質量虧損：、質量虧損：原子核的質量小于組成它的核子的原子核的質量小于組成它的核子的質量之和

12、質量之和對比愛因斯坦質能方程對比愛因斯坦質能方程 E=mc2核子核子在在結合成原子核結合成原子核時出現的時出現的質量虧損質量虧損 mm，與它們與它們在互相結合過程中在互相結合過程中放出的能量是否存在某種對應關系放出的能量是否存在某種對應關系呢？呢？質量虧損的思考：質量虧損的思考：E mc2？結論：以上等式確實成立，表明結論：以上等式確實成立，表明質量虧質量虧損與能量變化有著密切的聯系損與能量變化有著密切的聯系MevEJevJJmcE19. 2106 . 111051. 3103109 . 3191328302說明：說明： E=E= mm c c2 2 的的單位問題單位問題國際單位國際單位: m

13、用用“kg” C用用“m/s” E E用用“ “J”J”常用單位常用單位: m用用“u(原子質量單位原子質量單位)” 1u=1.66056610-27kg 1u=931.5MeV 1u=931.5MeV ( (表示表示1u 1u 的質量變化的質量變化相當于相當于931.5MeV931.5MeV的能量改變的能量改變) )3、注意事項：、注意事項：核反應過程中核反應過程中: 核子結合成原子核時核子結合成原子核時,新核質量小于核子的質新核質量小于核子的質量量(質量虧損質量虧損),同時以同時以 光子形式光子形式釋放核能釋放核能; 原子核原子核分解為核子時分解為核子時,需要吸收一定能量需要吸收一定能量,

14、核子核子的總質量大于原原子核的質量的總質量大于原原子核的質量.核反應過程中核反應過程中,質量虧損時質量虧損時,核子個數不虧損核子個數不虧損(即即質量質量數守恒數守恒),可理解為組成原子核后可理解為組成原子核后,核內每個核子仿佛核內每個核子仿佛“瘦了瘦了”一些一些.質量虧損并非質量消失質量虧損并非質量消失,而是而是減少的質量減少的質量 m以能量以能量形式輻射形式輻射(動質量動質量),因此質量守恒定律不被破壞。因此質量守恒定律不被破壞。當然，當然，2.19MeV2.19MeV的能量的絕對數量并不算大，但這的能量的絕對數量并不算大，但這只是組成只是組成1 1個氘核所放出的能量如果組成的是個氘核所放出

15、的能量如果組成的是6.026.0210102323個氘核時，放出的能量就十分可觀個氘核時，放出的能量就十分可觀了與之相對照的是，使了與之相對照的是，使1 1摩的碳完全燃燒放出的摩的碳完全燃燒放出的能量為能量為393.5393.510103 3J J折合為每個碳原子在完全燃折合為每個碳原子在完全燃燒時放出的能量只不過燒時放出的能量只不過4eV4eV若跟上述核反應中每若跟上述核反應中每個原子可能放出的能量相比，兩者相差數十萬倍個原子可能放出的能量相比，兩者相差數十萬倍核反應中釋放或吸收的能量比化學反應中釋放或吸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收的能量大好幾個數量級. 典例探究典例探究A.反應后氘核