核力與核能

　　1、知識與技能

　　(1)知道核力的概念、特點(diǎn)及自然界存在的四種基本相互作用;

　　(2)知道穩(wěn)定原子核中質(zhì)子與中子的比例隨著原子序數(shù)的增大而減小;

　　(3)理解結(jié)合能的概念，知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損;

　　(4)知道愛因斯坦的質(zhì)能方程，理解質(zhì)量與能量的關(guān)系。

　　2、過程與方法

　　(1)會根據(jù)質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的概念計(jì)算核反應(yīng)中釋放的核能;

　　(2)培養(yǎng)學(xué)生的理解能力、推理能力、及數(shù)學(xué)計(jì)算能力。

　　3、情感、態(tài)度與價(jià)值觀

　　(1)使學(xué)生樹立起實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)理論對實(shí)踐有著指導(dǎo)和預(yù)見作用的能力;

　　(2)認(rèn)識開發(fā)和利用核能對解決人類能源危機(jī)的重要意義。

　　教學(xué)重點(diǎn)：質(zhì)量虧損及愛因斯坦的質(zhì)能方程的理解。

　　教學(xué)難點(diǎn)：結(jié)合能的概念、愛因斯坦的質(zhì)能方程、質(zhì)量與能量的關(guān)系。

　　教學(xué)方法：教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。

　　教學(xué)用具：多媒體教學(xué)設(shè)備一套：可供實(shí)物投影、放像、課件播放等。

　　(一)引入新課

　　提問1：氦原子核中有兩個(gè)質(zhì)子，質(zhì)子質(zhì)量為mp=1.67×10-27kg，帶電量為元電荷e=1.6×10-19C，原子核的直徑的數(shù)量級為10-15m，那么兩個(gè)質(zhì)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2：在原子核那樣狹小的空間里，帶正電的質(zhì)子之間的庫侖斥力為萬有引力的1036倍，那么質(zhì)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(xué)習(xí)這方面的內(nèi)容。

　　(二)進(jìn)行新課

　　1、核力與四種基本相互作用

　　提示：20世紀(jì)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(qiáng)度差別很大。電磁力大約要比萬有引力強(qiáng)1036倍。

　　基于這兩種力的性質(zhì)，原子核中的質(zhì)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(xué)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(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核，后來的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了科學(xué)家的猜測。

　　提問1：那么核力有怎樣特點(diǎn)呢?

　　(1)核力特點(diǎn)：

　　第一、核力是強(qiáng)相互作用(強(qiáng)力)的一種表現(xiàn)。

　　第二、核力是短程力，作用范圍在1.5×10-15 m之內(nèi)。

　　第三、核力存在于核子之間，每個(gè)核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，這種性質(zhì)稱為核力的飽和性。

　　總結(jié)：除核力外，核物理學(xué)家還在原子核內(nèi)發(fā)現(xiàn)了自然界的第四種相互作用—弱相互作用(弱力)，弱相互作用是引起原子核β衰變的原因，即引起中子轉(zhuǎn)變質(zhì)子的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強(qiáng)力更短，為10-18m，作用強(qiáng)度則比電磁力小。

　　(2)四種基本相互作用力：

　　弱力、強(qiáng)力、電磁力、引力和分別在不同的尺度上發(fā)揮作用：

　�、偃趿�(弱相互作用)：弱相互作用是引起原子核β衰變的原因→短程力;

　�、趶�(qiáng)力(強(qiáng)相互作用)：在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將核子束縛在一起→短程力;

　　③電磁力：電磁力在原子核外，電磁力使電子不脫離原子核而形成原子，使原了結(jié)合成分子，使分子結(jié)合成液 體和固體→長程力;

　　④引力：引力主要在宏觀和宇觀尺度上“獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷”。是引力使行星繞著恒星轉(zhuǎn)，并且聯(lián)系著星系團(tuán)，決定著宇宙的現(xiàn)狀→長程力 。

　　2、原子核中質(zhì)子與中子的比例

　　隨著原子序數(shù)的增加，穩(wěn)定原子核中的中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)。

　　思考：隨著原子序數(shù)的增加，穩(wěn)定原子核中的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有怎樣的關(guān)系?(隨著原子序數(shù)的增加，較輕的原子核質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對于較重的原子核中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多)

　　思考：為什么隨著原子序數(shù)的增加，穩(wěn)定原子核中的中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)?

　　提示：學(xué)生從電磁力和核力的作用范圍去考慮。

　　總結(jié)：

　　若質(zhì)子與中子成對地人工構(gòu)建原子核，隨原子核的增大，核子間的距離增大，核力和電磁力都會減小，但核力減小得更快。所以當(dāng)原子核增大到一定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個(gè)原子核就不穩(wěn)定了;

　　若只增加中子，中子與其他核子沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)定，所以穩(wěn)定的重原子核中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。

　　由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，若再增大原子核，一些核子間的距離會大到其間恨本沒有核力的作用，這時(shí)候再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的。因此只有200多種穩(wěn)定的原子核長久地留了下來。

　　3、結(jié)合能

　　由于核子間存在著強(qiáng)大的核力，原子核是一個(gè)堅(jiān)固的集合體。要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，或者需要巨大的能量。例如用強(qiáng)大的γ光子照射氘核，可以使它分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子。

　　從實(shí)驗(yàn)知道只有當(dāng)光子能量等于或大于2.22MeV時(shí)，這個(gè)反應(yīng)才會發(fā)生。相反的過程一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核，要放出2.22MeV的能量。這表明要把原子核分開成核子要吸收能量，核子結(jié)合成原子核要放出能量，這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能。

　　原子核越大，它的結(jié)合能越高，因此有意義的是它的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能。比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固,原子核越穩(wěn)定。

　　那么如何求原子核的結(jié)合能呢?愛因斯坦從相對論得出了物體能量與它的質(zhì)量的關(guān)系，指出了求原子核的結(jié)合能的方法。

　　4、質(zhì)量虧損

　　(1)質(zhì)量虧損

　　科學(xué)家研究證明在核反應(yīng)中原子核的總質(zhì)量并不相等，例如精確計(jì)算表明：氘核的質(zhì)量比一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量之和要小一些，這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損，質(zhì)量虧損只有在核反應(yīng)中才能明顯的表現(xiàn)出來。

　　回顧質(zhì)量、能量的定義、單位，向?qū)W生指出質(zhì)量不是能量、能量也不是質(zhì)量，質(zhì)量不能轉(zhuǎn)化能量，能量也不能轉(zhuǎn)化質(zhì)量，質(zhì)量只是物體具有能量多少及能量轉(zhuǎn)變多少的一種量度。

　　(2)愛因斯坦質(zhì)能方程： E=mc2

　　相對論指出，物體的能量(E)和質(zhì)量(m)之間存在著密切的關(guān)系，即E=mc2式中， c為真空中的光速。愛因斯坦質(zhì)能方程表明：物體所具有的能量跟它的質(zhì)量成正比。由于c2這個(gè)數(shù)值十分巨大，因而物體的能量是十分可觀的。

　　(3)核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量：△E=△m c2

　　物體貯藏著巨大的能量是不容置疑的，但是如何使這樣巨大的能量釋放出來?從愛因斯坦質(zhì)能方程同樣可以得出，物體的能量變化△E與物體的質(zhì)量變化△m的關(guān)系：△E=Δmc2

　　單個(gè)的質(zhì)子、中子的質(zhì)量已經(jīng)精確測定。用質(zhì)譜儀或其他儀器測定某種原子核的質(zhì)量，與同等數(shù)量的質(zhì)子、中子的質(zhì)量之和相比較，看一看兩條途徑得到的質(zhì)量之差，就能推知原子核的結(jié)合能。

　　說明：

　�、傥矬w的質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，質(zhì)量虧損指的是靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量有關(guān)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。

　�、谫|(zhì)量虧損并不是這部分質(zhì)量消失或轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰�，只是靜止質(zhì)量的減少。

　　③在核反應(yīng)中仍然遵守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律。

　�、苜|(zhì)量只是物體具有能量多少及能量轉(zhuǎn)變多少的一種量度。

　　閱讀原子核的比結(jié)合能，指出中等大小的核的比結(jié)合能最大(平均每個(gè)核子的質(zhì)量虧損最大)，這些核最穩(wěn)定。另一方面如果使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成中等大小的核，核子的比結(jié)合能都會增加，這樣可以釋放能量供人使用。

　　鞏固練習(xí)

　　已知：1個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量mp=1.007 277u，1個(gè)中子的質(zhì)量mn=1.008 665u.氦核的質(zhì)量為4.001 509 u. 這里u表示原子質(zhì)量單位，1 u=1.660 566×10-27 kg. 由上述數(shù)值，計(jì)算2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子結(jié)合成氦核時(shí)釋放的能量。(28.3MeV)