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一个烧脑的问题:都知道核反应损失了质量,那么它们去哪了?

温馨提示:这是一个烧脑的问题,请各位小伙伴备好瓜子、花生、矿泉水,并尽量做到在头脑清醒的状态下阅读本文。

我们要搞清楚这个问题,必须要简单理解一下以下两个概念:

能量和质量

在相对论的体系中,质量是能量的一种具体的表现形式,能量和质量之间是可以互相转换的。关于这个概念我们可以举一个不恰当的例子来说明,假设氧气就是能量,平常我们都看不见它的,但是在特定的条件下,比如说低温环境,氧气就会呈现了液体甚至固体的表现形式,这样我们就能看得到,也摸得到了。

同样的,在特定的条件下,质量和能量之间也可以互相转换,其中质量转能量的例子比较多,例如平常所见的燃烧现象,以及今天我们要谈的核反应等。那么能量能转化为质量吗?答案是肯定的,英国物理学家帕特里克·布莱克特就证明了这一现象,他通过研究发现,高能光子在靠近原子核的时候,其携带的能量有时会产生出成对的正、反电子。这是人类首次通过实验发现能量转化为质量的现象,帕特里克·布莱克特也因此获得了1948年的诺贝尔物理学奖。

核结合能

核结合能是指保持原子核稳定的能量,即将基本粒子结合成原子核所需要的能量,或者将原子核的基本粒子全部分开所需要的能量。还需要引入一个概念--平均结合能,它是指原子的核结合能除以原子中的质子和中子的总数得出的结果。

好了,在大概知道以上两点知识之后,我们就可以来讨论今天的问题了,我们先来看一下各种元素的平均结合能曲线图,如图所示:

从理论上来讲,所有的元素都是可以进行核反应的(包括核聚变和核裂变),而它们核反应是否会释放能量,主要是看反应后质量的变化,如果是减少就会释放能量,反之则会吸收能量。

从上图我们可以看到,氢元素(H)的平均结合能最低,因此基本粒子要形成氢原子是很容易的,这也是宇宙中存在着大量氢元素的原因。从氢原子往后的元素,平均结合能就越来越大,到铁(Fe)的时候平均结合能最大,在它之后就出现了下降的现象。实验证明当比铁(Fe)轻的元素聚变或者比铁重的元素裂变时,都会出现质量的损耗而释放出能量,这个释放出来的能量就是核结合能。而铁元素因为它的平均结合能最大,所以成为了宇宙中最稳定的元素。

实验证明,如果单独来计算的话,氦原子的原子核的质量比组成它的两对质子和中子的质量要轻,这就意味着核结合能蕴含在基本粒子中,并以质量的形式存在,当氢在聚变的过程中,蕴含在氢原子中的核结合能会部分的释放出来,这也造成了核反应中质量的损失。同样的,当比铁重的元素产生裂变时,也会因为质量的损失而释放出蕴含在组成它的基本粒子中的核结合能。

最后一个问题,这些质量跑到哪去了?综上所述,消失的质量是通过核结合能的形式存在,它被释放之后,就变成了其它的能量,如光能、热能、动能等,以各种能量形式存在于宇宙空间中了,根据能量不灭定律,也许在某个特定的条件下,它们又会以质量的方式出现。

今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,感谢您的支持!

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