核聚變是否違反了質量守恆定律?核聚變釋放極大能量,更具質能方程,是否意味著質量虧損了?那這種反應還遵循質量守恆定律嗎?核聚變又稱核聚變、熱核反應,是一種常見的核反應形式。例如,太陽能釋放和氫彈爆炸的原理都是氫聚變。核聚變通常會發生能量的釋放或吸收。氫核聚變會釋放大量的能量,而鐵核聚變會吸收能量。當核聚變發生時,會有質量的損失。但是我們在學習初中物理的時候,一定要學習質量守恆定律,這是物理學領域不可動搖的真理。
核聚變反應不僅有質量損失,而且符合質量守恆。這難道不矛盾嗎?答案是這樣的。這並不矛盾。要理解這個問題,我們需要理解什麼叫質量守恆和質量損失?質量的守恆質量守恆定律的原意是:在與外界完全隔離的化學反應中,反應前的總質量等於反應後的總質量。例如:a+B生成D+C,那麼a+B的質量等於D+C的質量,隨後,質量守恆定律被推廣到各個領域,成為自然界不可動搖的真理。1756年,質量守恆定律被發現。那個時代的物理學還處於經典物理學時代。經典物理學中對質量的定義非常簡單。質量指的是靜止物體的質量。然而,自從物理學家愛因斯坦在20世紀初創立了相對論後,我們知道,物體的總質量是靜止質量和運動質量之和。
運動質量是指物體運動所產生的質量。運動質量的計算公式是M0為運動質量,M為靜止質量,V為物體的速度C為光速。如果物體以低速運動,物體運動產生的質量可以說是很小的。因此,當物體以低速運動時,物體的總質量可以近似等於物體的靜止質量。但是,如果物體以光速或接近光速運動時,物體會因運動而產生巨大的運動量。質量損失在解釋質量損失之前,我們需要使用愛因斯坦的質能公式,即e=m*C^2(能量=質量乘以光速的平方)。我們以氫聚變為例來討論核聚變反應的質量損失。氫聚變反應的過程是:1個氘核(1個質子2個中子)+1個氚核(1個質子3個中子)=1個氦核(2個質子2個中子)+1個中子。
已知氘、氚、氦和中子的質量。氘的質量=2.0136u,氦的質量=3.015u,中子的質量=1.0087u。通過簡單的加法計算,可以驗證核聚變反應是否符合質量守恆定律。在這裡,關於計算過程就不多做解釋了。我們直接說說結果。反應後,氦核加中子的質量比反應前少:氘核加氚核的質量更準確:核聚變反應後的靜態質量比核聚變反應前的靜態質量少。為什麼核聚變會導致靜質量減小?根據e=m*C^2,我們知道質量和能量是可以相互轉化的,所以我們可以得出一個初步的結論:在核聚變反應過程中,部分死亡的氘核和氚核的質量轉化為能量而釋放出來,從而導致靜態質量的減少。
我們把這種現象稱為質量損失。同樣,根據質能公式e=m*C^2,我們可以推導出核聚變釋放的能量=靜止質量的變化×光速的平方。將氘和氚的質量代入公式,可以計算出氘核和氚核的核聚變將產生176m的能量。既然聚變反應後有質量損失,那麼是否意味著聚變反應打破了質量守恆定律?答案:不因為核聚變反應後,質量的減少只是指靜態質量的減少,而物質的總質量除了靜態質量外,還包括運動質量。當發生核聚變反應時,失去的靜質量問題是不能直接轉化為17.6釋放的能量,而是轉化為以光子的形式存在,但光沒有中子的靜質量,所以運動增加質量核聚變反應產生的光子(光子運動質量0.0035u)只是為了彌補原有物質失去的靜質量。
即氘(靜止質量)+氚核(靜止質量)=氦核(靜止質量)+中子(靜止質量)+光子(移動質量)。反應前後的總質量(靜質量和動質量)仍然相等,所以聚變反應仍然符合質量守恆定律。