4　放射性的应用与防护优质公开课教案

第十九章

原子核

第五节核力与结合能

教学目标

1、

知识与技能

知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用。

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

。

理解结合能的概念，知道核反应中的质量亏损

。

知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系。

2、过程与方法

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

。

培养学生的理解能力、推理能力、及数学计算能力

。

3、情感态度与价值观

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

。

认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义

。

教学重难点

重点

质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解。

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。

教学过程

一、

核力和四种相互作用力

核子靠什么力结合成原子核？

原子核的半径为10-15m，只相当于原子半径的万分之一。在这么小的空间里带正电的质子和中子之间的库伦力是很大，万有引力太小，只有库伦力的10-36.而通常原子核式稳定的，于是核内还应有另一种力吧各种核子紧紧的拉在一起，这个就叫做核力。

1、核力

能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。

2、核力具有的特点

（1）

核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。

（2）核力是短程力。约在10-15m量级时起作用，距离大于0.8×10-15m时为引力，距离为10×10-15m时核力几乎消失，距离小于0.8×10-15m时为斥力。

（3）核力具有饱和性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。

（4）

核力具有电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。

3、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。→长程力

④引力：引力主要在宏观和宇观尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕着恒星转，并且联系

着星系团，决定着宇宙的现状。→长程力

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。

二、原子核中质子和中子的比例

随着原子序数的增加，稳定原子核中的中子数大于质子数。

原子序数和重核、轻核

原子核中的质子数又称为原子序数。周期表中比较靠后的元素对应的原子核叫重核，靠前的叫轻核。

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。

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。

三、结合能

由于核子间存在着强大的核力，原子核是一个坚固的集合体。要把原子核拆散成核子，需要112克服核力做巨大的功，,或者需要巨大的能量。例如用强大的γ光子照射氘核，可以使它分011

解为一个质子和一个中子。nHHγ为光子，其能量≥2.2MeV，反应才能发生

例如：211H1H10n

10

12n1H1H21HH1110

可见，由于核子间存在强大的核力，要把原子核拆散成核子，要克服核力做功，必须吸收一定的能量．反之，根据能量守恒，核子结合成原子核时，也会放出同样多的能量。这个能量叫做原子核的结合能。

结合能可以以光子的形式放出来。

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或者结合成原子核需要放出的能量。

平均结合能：结合能与核子数之比。

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。

四、质量亏损

质子与中子结合成氘核前后总质量的差异有什么变化呢？

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

质量差

= 0.0039×10－27Kg

可见，核反应前后，总质量并不相等！

1、质量亏损

原子分解为核子时，质量增加；核子结合成原子核时，质量减少。原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，叫做质量亏损。

例1、已知中子的质量是1.6749×10-27Kg ，质子的质量是1.6726×10-27Kg 氚核的质量是3.3436×10-27Kg 求：氚核的比结合能。

解：单个的中子和质子的质量和

为

3.3475×10-27Kg

质量差

= 0.0039×10-27Kg

质量差相对应的能量为：3.51×10-13J

能量单位常常使用电子伏特1ev=1.6×10-19J

氚核的比结合能为1.10Mev 对比爱因斯坦质能方程

E=mc2 核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm，与它们在互相结合过程中放出的能量是否存在某种对应关系呢？

ΔE= Δm·c2 结论：以上等式确实成立，表明质量亏损与能量变化有着密切的联系

课堂小结

1、核力

能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。

2、核力具有的特点:

（1）强力。

（2）核力是短程力。

（3）核力具有饱和性。

（4）

核力具有电荷无关性。

3、四种基本相互作用力:

弱力、强力、电磁力、引力

4、原子序数和重核、轻核

原子核中的质子数又称为原子序数。周期表中比较靠后的元素对应的原子核叫重核，靠前的叫轻核。

核子间存在强大的核力，要把原子核拆散成核子，要克服核力做功，必须吸收一定的能量．反之，根据能量守恒，核子结合成原子核时，也会放出同样多的能量。这个能量叫做原子核的结合能。

结合能可以以光子的形式放出来。

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。

5、质量亏损

原子分解为核子时，质量增加；核子结合成原子核时，质量减少。原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，叫做质量亏损。

质量亏损与能量变化有着密切的联系。

课堂练习

1、关于质能方程，下列哪种说法是正确的

(

)

A．质量减少，能量就会增加，在一定条件下质量转化为能量

B．物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加

C．某一定量的质量总是与一定量的能量相联系

D．物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系

2、裂变反应是目前核能利用中常用的反应。以原子核23592U为燃料的反应堆中，当23592U俘获—个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为

23592U +10n →13954Xe +9438Sr+310n

反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u为单位)。已知lu的质量对应的能量为MeV。

9.3×102MeV，此裂变反应释放出的能量是