核力与结合能

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同学们现在已经知道,原子核的尺度在10-15m数量级,由质子和中子组成,其中质子带正电,中子不带电。

那么,在原子核那样狭小的空间里,带正电的质子为什么能够挤在一起而不飞散?

是否是因为万有引力的作用导致的?经过计算,可以得出质子间的库伦力是万有引力的1035倍,核子不可能靠自身万有引力抗衡库仑斥力,核子之间肯定还有另外一种力使他们聚在一起,这就核力。

核力

1、定义: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、核力特点:

(1)核力是强相互作用(强力)的一种表现,在原子核尺度内,核力比库仑力大得多。

(2)核力是短程力,约在10-15m 数量级时起作用,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,因此核子不会融合在一起。

(3)核力与电荷无关,核力与核子电荷无关。

(4)核力具有饱和性,每个核子只跟相邻的核子发生核力作用,这种性质称之为核力的饱和性。

人类已知的四种相互作用力

(1)万有引力:引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕恒星转动,并且联系着星系团,决定了宇宙的现状和未来。

(2)电磁力:在原子核外,电磁力使电子结合成分子,使分子结合成液体与固体。电磁力和万有引力都是“长程力”,即它们可以作用到无限远的距离。

(3)强相互作用:原子核内,强力将核子束缚在一起。

(4)弱相互作用:弱相互作用是引起原子核β衰变的原因,即引起中子→质子转变的原因。弱相互作用也是短程力(比强力更短),作用强度比电磁力小。

原子核中质子与中子的比例

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,中子数大于质数,越重的元素,两者相差越多。如下图所示,这是为什么呢?

随着原子序数的增大,中子数和质子数的差距越来越大。

原因分析:

核越大,核子间距离增大,库仑力与核力均减少,但核力减少快,增大到一定程度时,核力较少,不足以平衡库仑力时,原子核会不稳定。若增加中子,与其它核子无库仑力,但有核力,有助于原子核稳定。核力是短程力,若超过其作用范围,增加中子,原子核也不稳定,所以原子序数越大越不稳定。

结合能

由于核子间存在着强大的核力,所以核子结合成原子核或原子核分解为核子时,都伴随着巨大的能量变化。

当核子结合成原子核时要放出一定能量;原子核分解成核子时,要吸收同样的能量.这个能量叫做原子核的结合能。

 

比结合能(平均结合能)

原子核越大,它的结合能越高。因此,有意义的是它的结合能与核子数之比,称作比结合能也叫平均结合能。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。

中等大小的核的比结合能最大(平均每个核子的质量亏损最大),这些核最稳定,这个现象在20世纪20年代末曾经引起科学家们的遐想:如果使较重的核分裂成中等大小的核或者把较小的核合并成中等大小的核,核子的比结合能都会增加,即核子将会发生新的质量亏损,会释放新的结合能,放出巨大的能量供人类使用,最后这种能量确实被人使用了,但第一次却使用在战争中。

爱因斯坦的质能方程

爱因斯坦从相对论得出,物体的能量和质量之间存在如下密切联系。

表明物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系

质量亏损

把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的质量亏损。

核子在结合成原子核时出现质量亏损,所以要放出能量,大小为:

有关结合能和质量亏损问题的理解

1、核子结合成原子核,新核质量小于核子的质量(质量亏损),同时以γ光子形式释放核能;原子核分解为核子时,需要吸收一定能量,核子的总质量大于原原子核的质量。

2、核反应过程中,质量亏损时,核子个数不亏损(即质量数守恒),可理解为组成原子核后,核内每个核子仿佛“瘦了”一些。

3、质量亏损并非质量消失,而是减少的质量Δm以能量形式辐射(动质量),因此质量守恒定律不被破坏。

4、国际单位:Δm用“kg”,c用“m/s”, ΔE用“J”。

    原子中常用单位;Δm用“u”(原子质量单位),1u=1.660566×10-27kg, c=2.9979×108m/s,1eV=1.6022×10-19J。

   ΔE用“Δm c²”,1u=931MeV 。(表示1u 的质量变化相当于931MeV的能量改变)

5、核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释放或吸收的能量大好几个数量级。

高中物理知识点总结

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