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化学能与核能一样都来自质量亏损吗?优质

382次浏览| 2022-06-29 12:44:27 更新
来源:互联网
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如果只考虑反应物与生成物的话,的确质量是不守恒的。拉瓦锡的质量守恒定律是相对论之前的理论,严格上是错误的。在相对论的框架下,拉瓦锡质量守恒定律的确是错的。根据爱因斯坦质能方程,一定对应一定的能,二者的定量关系由比例系数「光速的平方」联系起来。于是,任何体系内能量的变化都会引起相应质量的变化。所谓质量亏损,就是反应前后体系粒子质量的变化。譬如在核反应中,就是指原子核的质量与组成原子核的所有单个质子与单个中子的质量之和的差(原子核的质量小于组成原子核的所有单个质子与单个中子的质量总和,亏损的质量对应结合能,亏损越大结合能越大)。核反应中,质量亏损主要是由反应前后体系能量变化而导致的。由于重核裂变与轻核聚变都属于放能核反应,根据质能方程的涵义,反应后粒子的静质量要减少,即反应后质量要有所亏损,而质量亏损就意味着能量的亏损。化学反应体系中所伴随的能量变化比起核反应来要小得多,但同样遵循相同的质能方程。当发生化学反应并释放能量时,必定失去相应的质量。但由于绝大多数化学反应释放的能量远远小于常见核反应所释放的能量。化学中的原子模型(卢瑟福模型),以及由此引发出来质量守恒定律(在化学反应前后,电子、质子、中子既不会凭空消失或产生、也不可分割,本身不发生变化,化学反应前后只是电子轨道发生变化),只是在反应能量变化较小的情况下的近似理论。在更高测量精度或者更大的能量变化下,被质能守恒定律所取代。根据质能方程E=mc2,可以将质量和能量互相换算,而二者之和保持不变。

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能量是相对的,但能量变化是绝对的。质量变化和能量变化是一回事,不存在谁来源于谁的问题。只要有能量变化一定存在质量变化,你忽略不忽略是另一回事。核能和电磁能不是一个层次的东西,原子核变化伴随的能量变化过程可以看做核子相互作用变化导致的能量变化(事实上比这个还要复杂),包括了强力和电磁力,要的思路核能也没能量损失了,反正没核子变化的。任何原子核的质量均小于构成它们的质子与中子的静止质量之和,这种原子核的质量亏损是原子核形成的过程造成的,质子和中子的静止质量分别为 1.007276u 和 1.008665u ,核的质量为2.013553u。由此,质量亏损为 0.002388u ,其能量当量为 3.564×J ,这就是该反应释放的能量,即原子核的结合能。

相比于核反应来说,化学反应的质量亏损往往很小,以致于最精密的仪器都无法测量,只能通过反应释放的能量来推算。这就是为什么在拉瓦锡发现「质量守恒定律」之后,再没有一个化学家在实验室里发现任何一个反例的原因了。严格地讲,化学反应中体系的质量也是不守恒的。考虑到这一原因,我们应该说在反应前后没有可检测的质量变化。正如从卡车上遗落两枚金币,由于两枚金币的质量相对于卡车的质量太小了,以致于卡车质量似乎没有改变。以硝化甘油的爆炸为例,假定反应的起始状态都为 25°C 的标准状况,可以计算出反应前后的质量损失。

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