核力與結合能

【教學目標】

一、知識與技能

1．知道核力的概念、特點及自然界存在的四種基本相互作用。

2．知道穩定原子核中質子與中子的比例隨著原子序數的增大而減小。

3．理解結合能的概念，知道核反應中的質量虧損。

4．知道愛因斯坦的質能方程，理解質量與能量的關系。

二、過程與方法

1．會根據質能方程和質量虧損的概念計算核反應中釋放的核能。

2．培養學生的理解能力、推理能力、及數學計算能力。

三、情感、態度與價值觀

1．使學生樹立起實踐是檢驗真理的標準、科學理論對實踐有著指導和預見作用的

能力。

2．認識開發和利用核能對解決人類能源危機的重要意義。

【教學重點】

質量虧損及愛因斯坦的質能方程的理解。

【教學難點】

結合能的概念、愛因斯坦的質能方程、質量與能量的關系。

【教學過程】

一、復習提問、新課導入

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提問：氦原子核中有兩個質子，質子質量為mp=1.67×10kg，帶電量為元電荷e=1.6

×10-19C，原子核的直徑的數量級為10-15m，那么兩個質子之間的庫侖斥力與萬有引力

兩者相差多少倍？（兩者相差1036倍）

提問：在原子核那樣狹小的空間里，帶正電的質子之間的庫侖斥力為萬有引力的

1036倍，那么質子為什么能擠在一起而不飛散？會不會在原子核中有一種過去不知道的

力，把核子束縛在一起了呢？今天就來學習這方面的內容。

二、新課教學

（一）核力與四種基本相互作用

提示：20世紀初人們只知道自然界存在著兩種力：一種是萬有引力，另一種是電

磁力（庫侖力是一種電磁力）。在相同的距離上，這兩種力的強度差別很大。電磁力大

約要比萬有引力強1036倍。

基于這兩種力的性質，原子核中的質子要靠自身的引力來抗衡相互間的庫侖斥力是

不可能的。核物理學家猜想，原子核里的核子間有第三種相互作用存在，即存在著一種

核力，是核力把核子緊緊地束縛在核內，形成穩定的原子核，后來的實驗證實了科學家

的猜測。

1．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（強相互作用，

也叫強力）。

提問：那么核力有怎樣特點呢？

2．核力特點：

（1）核力是強相互作用（強力）的一種表現。

（2）核力是短程力，作用范圍在1.5×10-15m之內。

（3）核力存在于核子之間，每個核子只跟相鄰的核子發生核力作用，這種性質稱

為核力的飽和性。

（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。

3．四種相互作用

（1）萬有引力：引力主要在宏觀和宇宙尺度上“獨領風騷”。是引力使行星繞恒星

轉動，并且聯系著星系團，決定了宇宙的現狀和未來。

（2）電磁力：在原子核外，電磁力使電子結合成分子，使分子結合成液體與固體。

（3）強相互作用：在原子核內，強力將核子束縛在一起。

（4）弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β衰變的原因，即引起中子－質子轉變

的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強力更短，為10-18m，作用強度則比電磁力

小。

（二）結合能

宏觀模型：相距很遠的兩個物體，由于萬有引力而相互接近，運動速度越來越大，

引力勢能轉化為動能最后撞在一起，動能變成它們的內能散失掉了。兩個物體為了結合

而付出了代價——失去了一些能量，如果要把它們分開，還要重新賦予它們這份能量。

要將原子核拆散成單個核子，也一定需要的能量。

微觀模型：原子核是核子憑借核力結合在一起構成的，要把它們分開，也需要能量，

這就是原子核的結合能。

1．結合能：原子核是核子憑借核力結合在一起構成的，要把它們分開，也需要能

量，這就是原子核的結合能。

提問：將一個質子和中子結合在一起，會產生什么現象？若要把它們分開，需要什

么條件？

將原子核拆分成單個核子需要吸收的能量，將單個核子結合成原子核所要放出的能

量。

提問：如何理解結合能？

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。

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。

提問：結合能的大小與什么因素有關？

組成原子核的核子數。

2．組成原子核的核子數越多，結合能越大。

提問：結合能越大原子核是不是越難被拆散？即：結合能的大小能不能反映原子核

的穩定程度？如何才能反映原子核的穩定程度？

引出比結合能。

3．比結合能：原子核的結合能與核子數之比稱為比結合能，也叫平均結合能。

理解：核子結合成原子核時，平均每個核子所釋放的結合能，它也等于把原子核拆

散成每個核子時，外界提供給每個核子的平均能量。

意義：它反映了一個原子核穩定程度。比結合能越大，原子核越穩定。

（三）質量虧損

提問：請計算一下方程左右的質量：

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中子的質量=1.6749×10kg0?+1?→1?+?

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

計算得出質量差=0.0039×10-27kg

1．質量虧損：原子核的質量小于組成它的核子的質量之和。

2．愛因斯坦的質能方程：E＝mc2

質量虧損表明原子核內的確存在著結合能。

核子在結合成原子核時出現的質量虧損Δ，正表明它們在互相結合過程中放出了

能量。??

ΔE=Δmc2

【練習鞏固】

1．氦原子核由兩個質子與兩個中子組成，這兩個質子之間存在著萬有引力、庫侖

力和核力，則3種力從大到小的排列順序是（）

A．核力、萬有引力、庫侖力

B．萬有引力、庫侖力、核力

C．庫侖力、核力、萬有引力

D．核力、庫侖力、萬有引力

答案：D

2．下列說法中正確的是（）

A．原子核內的所有質子間都存在核力和庫侖力

B．對質子數較多的原子核，其中的中子起到維系原子核穩定的作用

C．重核比中等質量的核更穩定

D．兩個質子之間不管距離如何，核力總大于庫侖力

答案：B

3．下列說法正確的是（）

A．自由核子結合成原子核時，一定遵循質量守恒

B．在發生核反應時，反應前物質的總質量一定等于反應后所生成物質的總質量

C．發生核反應時，反應前的總質量大于反應后的總質量，這個反應是放能反應

D．發生核反應時，反應前的總質量大于反應后的總質量，這個反應必須吸收能量

才能發生核反應

答案：C

4．下列說法中，正確的是（）

A．愛因斯坦質能方程反映了物體的質量就是能量，它們之間可以相互轉化

B．由E＝mc2可知，能量與質量之間存在著正比關系，可以用物體的質量作為它

所蘊藏的能量的量度

C．核反應中發現的“質量虧損”是消失的質量轉變成為能量

D．因在核反應中能產生能量，有質量的轉化，所以系統只有質量數守恒，系統的

總能量和總質量并不守恒

答案：B

5．關于質能方程，下列說法中正確的是（）

A．質量減少，能量就會增加，在一定條件下質量轉化為能量

B．物體獲得一定的能量，它的質量也相應地增加一定值

C．物體一定有質量，但不一定有能量，所以質能方程僅是某種特殊條件下的數量

關系

D．某一定量的質量總是與一定量的能量相聯系的