19．5  核力与结合能 庞会研 河南省淮阳中学

【教学目标】

（一）知识与技能

1．知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用；

2．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；

3．理解结合能的概念，知道核反应中的质量亏损；

4．知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系。

（二）过程与方法

1．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；

2．培养学生的理解能力、推理能力、及数学计算能力。

（三）情感、态度与价值观

1．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；

2．认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义。

【教学重点】质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解。

【教学难点】结合能的概念、爱因斯坦的质能方程、质量与能量的关系。

【教学方法】教师启发、引导，学生讨论、交流

【教学用具】多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。

【教学过程】

（一）引入新课

复习提问：氦原子核中有两个质子，质子质量为m_p=1.67×10^-27kg，带电量为元电荷e=1.6×10^-19C，原子核的直径的数量级为10^-15m，那么两个质子之间的库仑斥力与万有引力两者相差多少倍?

学生通过计算回答：两者相差10³⁶倍

问：在原子核那样狭小的空间里，带正电的质子之间的库仑斥力为万有引力的10³⁶倍，那么质子为什么能挤在一起而不飞散?会不会在原子核中有一种过去不知道的力，把核子束缚在一起了呢?今天就来学习这方面的内容，也就是第五节：核力与结合能(板书)

点评：让学生从熟悉的库仑定律和万有引力定律出发，比较氦原子核中两个质子之间的库仑斥力与万有引力的大小，产生强烈的认知冲突,进而引入核力的概念。

（二）进行新课

1．核力与四种基本相互作用(板书)

点拨：20世纪初人们只知道自然界存在着两种力：一种是万有引力，另一种是电磁力(库仑力是一种电磁力)。在相同的距离上，这两种力的强度差别很大。电磁力大约要比万有引力强10³⁶倍。

基于这两种力的性质，原子核中的质子要靠自身的引力来抗衡相互间的库仑斥力是不可能的。核物理学家猜想，原子核里的核子间有第三种相互作用存在，即存在着一种核力，是核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核,后来的实验证实了科学家的猜测.

问：那么核力有怎样特点呢?

学生：阅读教材核力的特点部分，讨论、总结并回答核力特点：

（1）核力是强相互作用(强力)的一种表现。

（2）核力是短程力，作用范围在1.5×10^-15 m之内。

（3）核力存在于核子之间，每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性。

教师总结：除核力外，核物理学家还在原子核内发现了自然界的第四种相互作用—弱相互作用(弱力)，弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子转变质子的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为10^-18m，作用强度则比电磁力小。

点评：通过学生自主学习培养学生的自学能力，同时通过讨论激发学习兴趣。

教师讲述：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

学生：阅读课本左边的阅读内容总结自然界的四种基本相互作用力及它们的作用范围。

2．原子核中质子与中子的比例

教师：随着原子序数的增加，稳定原子核中的中子数大于质子数。

引导学生阅读教材原子核中质子与中子的比例部分及挂图，思考两个问题：随着原子序数的增加，稳定原子核中的质子数和中子数有怎样的关系？

学生回答：随着原子序数的增加，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。

引导学生阅读教材思考为什么随着原子序数的增加，稳定原子核中的中子数大于质子数?

点评：提示学生从电磁力和核力的作用范围去考虑。

总结：若质子与中子成对地人工构建原子核，随原子核的增大，核子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快。所以当原子核增大到一定程度时，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；

若只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多。

由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距离会大到其间恨本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。因此只有200多种稳定的原子核长久地留了下来。

3．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，可以使它分解为一个质子和一个中子。

从实验知道只有当光子能量等于或大于2.22MeV时，这个反应才会发生.

相反的过程一个质子和一个中子结合成氘核，要放出2.22MeV的能量。

这表明要把原子核分开成核子要吸收能量，核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫做原子核的结合能.

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，称做比结合能，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.

点拨：那么如何求原子核的结合能呢?爱因斯坦从相对论得出了物体能量与它的质量的关系，指出了求原子核的结合能的方法。

4．质量亏损

（1）质量亏损

讲述：科学家研究证明在核反应中原子核的总质量并不相等，例如精确计算表明：氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些，这种现象叫做质量亏损，质量亏损只有在核反应中才能明显的表现出来.

让学生回顾质量、能量的定义、单位，向学生指出质量不是能量、能量也不是质量，质量不能转化能量，能量也不能转化质量，质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。

点评：质量亏损与质量与能量的关系是本节的难点。

学生很容易从字面上得出错误结论：

①质量就是能量、能量就是质量，质量可以转化能量, 能量可以转化质量。

②在核反应中不遵守质量守恒定律、能量守恒定律;

（2）爱因斯坦质能方程： E＝mc²

讲述：相对论指出，物体的能量（E）和质量（m）之间存在着密切的关系，即E＝mc²式中， c为真空中的光速。

爱因斯坦质能方程表明：物体所具有的能量跟它的质量成正比。由于c²这个数值十分巨大，因而物体的能量是十分可观的。

（3）核反应中由于质量亏损而释放的能量：△E=△m c²

讲述：物体贮藏着巨大的能量是不容置疑的，但是如何使这样巨大的能量释放出来？从爱因斯坦质能方程同样可以得出，物体的能量变化△E与物体的质量变化△m的关系：△E=Δmc².

单个的质子、中子的质量已经精确测定。用质谱仪或其他仪器测定某种原子核的质量，与同等数量的质子、中子的质量之和相比较，看一看两条途径得到的质量之差，就能推知原子核的结合能。

点评：向学生指出以下几点：

①物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损指的是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量。

②质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量，只是静止质量的减少。

③在核反应中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律;

④质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。

点拨：师生共同阅读原子核的比结合能挂图，指出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。另一方面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，这样可以释放能量供人使用。  

（巩固练习）已知1个质子的质量m_p=1.007 277u，1个中子的质量m_n=1.008 665u.氦核的质量为4.001 509 u. 这里u表示原子质量单位，1 u=1.660 566×10^-27 kg. 由上述数值，计算2个质子和2个中子结合成氦核时释放的能量。（28.3MeV）

学生：学习课本例题，做巩固练习，加深对质量亏损、原子核的结合能及比结合能的理解

（三）课堂小结

根据爱因斯坦质能方程自然界中物体的质量和能量间存在着一定对应关系：E=mc²，可见物质世界贮藏着巨大能量，问题是如何使贮藏的能量释放出来。人类以前利用的是燃料燃烧时释放的化学能。在发生化学反应时，是原子外层电子的得失，这种情况下人类获取的能量可以说属于原子的“皮能”。在核反应时，可以产生较大一些的质量亏损，从而使人类获得了大得多的能量，这里的变化属于原子核的变化，相应的能量称作原子核能。换句话说，即物体贮藏的能量是巨大的。迄今为止，人类所利用的能量还只是很小的一部分，如果人类在探索中能掌握新的方式，以产生更大的质量亏损，也就必然能够获得更为可观的能量， 这对解决人类的能源危机具有重要意义。

（四）作业

1、理解原子核的结合能的概念；理解质量与能量的区别及它们之间的对应关系；

2、完成课本后面的练习1、2、3、4