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對能量本質的探究和猜想

它的質子和中子之和。氦核包含2個質子和2個中子。質子的相對原子質量是1.0073,中子的相對原子質量是1.0086。如果我們把2個質子和中子的質量加起來得到的相對原子質量是4.0318。但是氦核的相對原子質量卻是4.0015,比質子和中子的質量和小了0.0303。這個質量到哪裡去了?

    科學家一直難以解決這個問題直到相對論的出現。在相對論中愛因斯坦提出劃時代的質能方程e=mc2(e是能量,m是物體的靜質量,c是光速)將質量和能量聯繫在一起。而在相對論出現以前,人們認為能量和物質之間是不同的存在物,它們分別遵守它們各自的守恆定律。

    2。這裡將細緻地探討有關試驗來理解和驗證這個質能方程:

    碳在空氣中燃燒,發生的是化學發應;氫2和氫3聚變後,發生的是原子核反應。這兩類反應中新物質的形成是十分不同的。

    氧分子裡的原子是共用電子的,這就形成了化學鍵(相鄰的原子之間強烈的相互作用),當碳和氧反應時,氧分子裡的鍵被破壞,而在碳和氧之間形成新的鍵。無論化學鍵的形成或破壞,原子的電子都要重新排列。但原子核卻沒有變化,在化學反應中,反應前後原子的種類和數目都時相同的。

    c+o2→co2+能量

    氫2和氫3的聚變中,原子核變化了,氫2和氫3原子核里的質子和中子重新排列,變成了氦4的原子核,還剩下一個中子。

    氫2+氫3→氦4+中子+能量

    21h+31h→42he+10n+能量(元素符號的左上標表示質量數,左下標表示質子數)

    3。我們再比較一下再兩類反應中物質的質量。

    (1)當12.00112克的碳核31.9988克的氧結合時,產生了44.0100克的二氧化碳。二氧化碳的質量精確到四位小數,還是等於碳和氧質量的和。這是符合質量守恆定律的。


    c+o2→co2+能量

    12.0012g31.9988g33.0100g

    (2)

    21h+31h→42he+10n+能量

    2.0141g3.0149g4.0015g1.0086g

    當我們在氫2和氫3聚變的方程中將兩邊相加,反應前物質的總質量等於5.0920g,而反應後物質的總質量等於5.0101g。反應後比反應前少了0.0189g的物質。此時,質量守恆定律不再適用了,這0.0189g的物質到底去哪裡了?

    再看質能方程e=mc2

    這個方程中,光速c的值約等於3x108m/s,那麼c2=9x1016m2/s2。當這個巨大的數字乘以質量的變化時,結果是巨大的能量被釋放出來。所以,這個方程里的物質似乎消失了,其實是轉化成為了能量。

    但有個疑問:在一般的化學變化和物理變化中似乎沒有質量的損失?

    其實在碳燃燒時是有質量損失的,但由於一般變化中能量釋放得非常少,再用這個數值去除以c2,損失的質量就非常非常小了,我們很難測量出來。

    所以根據愛因斯坦的質能方程和大量的試驗數據,原來的能量守恆定律和質量守恆定律被發展成為質能守恆定律:物質和能量既不能被創造也不能被消滅,但它們能相互轉化。從這一個概念來講,其實物質可以看作能量的一種高度聚合的形式,那麼質能守恆定律可以更準確地表達成:在一個封閉的系統中能量既不會增加也不會減少。

    這樣,科學家們終於解決了那個困擾了他們很久的問題。科學家相信,在原子形成時,損失的質量轉化成能量了。正是這種能量使原子核保持在一起。一般來說,原子核具有超過一個的質子,它們都具有正電荷所以會互相排斥,但正是這些能量使它們保持在一起並且還束縛住了中子。使原子核結合在一起的能量叫結合能。

    類比於結合能,化學鍵也起到同樣的作用。雖然化合物是通過兩種方式結合起來的:交換電子形成離子化合物(離子鍵:使陰、陽離子結合成化合物的靜電作用);共用電子對形成共價化合物(共價鍵:原子之間通過共用電子對所形成的相互作用)。但



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