第5节核力与结合能1．原子核内相邻核子之间的作用力叫核力，把原子核内核子分开所需要的能量叫结合能。
2．结合能与核子数之比叫比结合能。
比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。
3．原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫做质量亏损。
一、核力与四种基本相互作用1．核力(1)定义：原子核里的核子间的相互作用力。
(2)作用：把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。
2．核力的特点(1)核力是强相互作用的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多。
(2)核力是短程力，作用范围在 1.5×10－15 m之内。
核力在大于0.8×10－15 m，小于1.5×10－15 m的范围内表现为吸引力，在小于0.8×10－15 m时表现为斥力。
(3)每个核子只跟邻近的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性。
3．第四种相互作用核物理学家在原子核内发现了自然界的第四种相互作用——弱相互作用，弱相互作用是引起原子核β衰变的原因。
该作用也是短程力，其力程比强力更短，为10－18m，作用强度比电磁力小。
4．四种基本相互作用四种基本相互作用包括万有引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用，在相同距离上，电磁力大约比万有引力强1035倍。
二、原子核中质子与中子的比例1．较轻原子核：质子数和中子数大致相等。
2．较重原子核：中子数大于质子数，越重的原子核两者相差越多。
三、结合能与质量亏损1．结合能原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。
2．比结合能原子核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。
中等大小的核的比结合能最大，最稳定。
3．质能方程物体的能量与它们质量的关系是：E＝mc2。
4．质量亏损原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。
1．自主思考——判一判(1)原子核中粒子所受的万有引力和电磁力可以达到平衡。
(×)(2)核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大。
(×)(3)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因。
(√)(4)原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量。
(×)(5)比结合能越大，原子核越稳定。
(√)(6)质能方程E＝mc2表明了质量与能量间的一种对应关系。
(√)2．合作探究——议一议(1)质子之间存在库仑力，质子与中子、中子与中子之间没有库仑力，那么是不是质子之间存在核力，质子与中子、中子与中子之间没有核力？提示：不是。
核力是短程力，存在于相邻的核子之间，无论是质子之间、质子与中子之间还是中子之间，都存在核力。
(2)为什么核电荷数越多的原子核越不稳定？提示：核电荷数越多的原子核中，有些核子之间的距离越来越大，随着距离增大，核力和质子间的斥力都减小，但核力减小得更快，当原子核大到一定程度时，核力会小于质子间的斥力，原子核就不稳定了。
(3)有人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认识对不对？提示：不对。
在核反应中质量数守恒即核子的个数不变，只是核子组成原子核时，仿佛变“轻”了一些，原子核的质量总是小于其全部核子质量之和，即发生了质量亏损，核子的个数并没有变化。
核力的性质与原子核中质子与中子的比例1．核力的性质(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10－15 m数量级时起作用，距离大于0.8×10－15 m时为引力，距离小于0.8×10－15 m时为斥力，距离为10×10－15 m时核力几乎消失。
(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。
核力与核子电荷无关。
2．原子核中质子与中子的比例关系(1)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，越重的原子核，两者相差越多。
(2)形成原因：①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。
②若只增加中子，因为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。
③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根本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。
[典例] 关于原子核中质子和中子的说法，正确的是( )A．原子核中质子数和中子数一定相等B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多C．原子核都是非常稳定的D．由于核力的作用范围是有限的，核力具有饱和性，不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在[思路点拨] 解答本题时应注意以下两点：(1)轻核中质子数与中子数大致相等，重核中中子数大于质子数。
(2)由于核力是短程力，原子核的大小有一定的限制。
[解析] 由稳定核的质子数与中子数的关系图像可知，质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多，故A 、B 错误；原子核可以发生衰变，故C 错误；由核力作用特点可知，核子数越多的原子核越不稳定，故D 正确。
[答案] D记忆核力特点技巧(1)核子包括质子和中子，而中子不带电，所以核力与电荷无关。
(2)原子核非常小，所以核力属于短程力。
(3)质子间的核力比库仑力大得多，属于强相互作用力。
1．对核力的认识，下列说法正确的是( )A ．任何物体之间均存在核力B ．核力广泛存在于自然界中的核子之间C ．核力只存在于质子之间D ．核力只发生在相距1.5×10－15 m 的核子之间，大于0.8×10－15 m 为吸引力，而小于0.8×10－15 m 为斥力解析：选D 由核力的特点知道，只有相距1.5×10－15 m 以内的核子之间存在核力，核力发生在核子之间，由此知D 正确，A 、B 、C 错误。
2．对原子核的组成，下列说法正确的是( )A ．核力可使一些中子组成原子核B ．核力可使非常多的质子组成原子核C ．不存在只有质子的原子核D ．质量较大的原子核内一定有中子 解析：选D 由于原子核带正电，不存在只有中子的原子核，但核力也不能把非常多的质子聚集在一起组成原子核，原因是核力是短程力，质子之间还存在“长程力”——库仑力，A 、B 错误；自然界中存在只有一个质子的原子核，如11H ，C 错误；较大质量的原子核内只有存在一些中子，才能削弱库仑力，维系原子核的稳定，故D 正确。
3．激光中子是由重原子核吸收光子后发射中子而产生的，光子的极限能量大约是10 MeV 。
假定中子从原子核上向外移开距离10－13 cm 所受的力保持不变，则平均核力的数量级是( )A ．10－3 NB ．10 NC ．103 ND ．无法计算解析：选C 核力是一种很强的力，应存在于相邻的核子之间，作用范围在1.5×10－15 m 之内，由题意知：F ·d ＝W ＝E ，则F ＝10×106×1.6×10－1910－13×10－2 N ＝1.6×103 N ，故选项C 正确。
结合能、比结合能与原子核的稳定性1．结合能要把原子核分开成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量。
2．比结合能等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比值，它反映了原子核的稳定程度。
3．比结合能曲线不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图1951所示。
图1951从图中可看出，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小。
4．比结合能与原子核稳定的关系(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定。
(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定。
(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可能释放核能。
例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。
1．(多选)对结合能、比结合能的认识，下列说法正确的是( )A．核子结合为原子核时，一定释放能量B．核子结合为原子核时，可能吸收能量C．结合能越大的原子核越稳定D．比结合能越大的原子核越稳定解析：选AD 由自由核子结合成原子核的过程中，核力做正功，释放出能量。
反之，将原子核分开变为自由核子，它需要吸收相应的能量，该能量即为结合能。
故A正确，B错误。
对核子较多的原子核的结合能越大，但它的比结合能不一定大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性，故C 错误，D 正确。
2．如图1952所示是原子核的平均核子质量A 与原子序数Z 的关系图像，下列说法正确的是( )图1952A ．若D 、E 能结合成F ，结合过程一定要释放能量B ．若D 、E 能结合成F ，结合过程一定要吸收能量C ．若C 、B 能结合成A ，结合过程一定要释放能量D ．若F 、C 能结合成B ，结合过程一定要释放能量解析：选A D 、E 平均核子质量大于F 平均核子质量，D 、E 结合成F ，出现质量亏损，要释放能量，A 对B 错；C 、B 结合成A ，F 、C 结合成B 都是质量增加，结合过程要吸收能量，C 、D 错。
3．一个中子与某原子核发生核反应，生成一个氘核，其核反应方程式为________________________。
该反应放出的能量为Q ，则氘核的比结合能为____________。
解析：方程式：10n ＋11H→21H核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫原子核的结合能。
它的结合能与核子数之比，称作比结合能，由题意知氘核的核子数为2，所以比结合能为Q 2。
答案：10n ＋11H→21H Q2对质量亏损和质能方程的理解1．质量亏损所谓质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成原子核的过程中以能量的形式辐射出去了。
反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给。
总之，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们之间的关系就是E ＝mc 2。
2．质能方程E ＝mc 2(1)质能方程说明，一定的质量总是跟一定的能量相联系的。
具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是—定的，等于光速的平方与其质量之积，这里所说的总能量，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。