核反應損失的質量是什麼?它到哪去了?

2020-12-04 魅力科學君

預警提示:這是一個相當燒腦的問題,請各位小夥伴備好瓜子、花生、礦泉水,並儘量做到在頭腦清醒的狀態下閱讀本文。

我們要搞清楚這個問題,必須要簡單理解一下以下兩個概念:

能量和質量

在相對論的體系中,質量是能量的一種具體的表現形式,能量和質量之間是可以互相轉換的。關於這個概念我們可以舉一個不恰當的例子來說明,假設氧氣就是能量,平常我們都看不見它的,但是在特定的條件下,比如說低溫環境,氧氣就會呈現了液體甚至固體的表現形式,這樣我們就能看得到,也摸得到了。

同樣的,在特定的條件下,質量和能量之間也可以互相轉換,其中質量轉能量的例子比較多,例如平常所見的燃燒現象,以及今天我們要談的核反應等。那麼能量能轉化為質量嗎?答案是肯定的,英國物理學家派屈克·布萊克特就證明了這一現象,他通過研究發現,高能光子在靠近原子核的時候,其攜帶的能量有時會產生出成對的正、反電子。這是人類首次通過實驗發現能量轉化為質量的現象,派屈克·布萊克特也因此獲得了1948年的諾貝爾物理學獎。

核結合能

核結合能是指保持原子核穩定的能量,即將基本粒子結合成原子核所需要的能量,或者將原子核的基本粒子全部分開所需要的能量。還需要引入一個概念--平均結合能,它是指原子的核結合能除以原子中的質子和中子的總數得出的結果。

好了,在大概知道以上兩點知識之後,我們就可以來討論今天的問題了,我們先來看一下各種元素的平均結合能曲線圖,如圖所示:

從上圖我們可以看到,氫元素(H)的平均結合能最低,因此基本粒子要形成氫原子是很容易的,這也是宇宙中存在著大量氫元素的原因。從氫原子往後的元素,平均結合能就越來越大,到鐵(Fe)的時候平均結合能最大,在它之後就出現了下降的現象。

從理論上來講,所有的元素都是可以進行核反應的(包括核聚變和核裂變),而它們核反應是否會釋放能量,主要是看反應後質量的變化,如果是減少就會釋放能量,反之則會吸收能量。實驗證明當比鐵(Fe)輕的元素聚變或者比鐵重的元素裂變時,都會出現質量的損耗而釋放出能量,這個釋放出來的能量就是核結合能。而鐵元素因為它的平均結合能最大,所以成為了宇宙中最穩定的元素。

實驗證明,如果單獨來計算的話,氦原子的原子核的質量比組成它的兩對質子和中子的質量要輕,這就意味著核結合能蘊含在基本粒子中,並以質量的形式存在,當氫在聚變的過程中,蘊含在氫原子中的核結合能會部分的釋放出來,這也造成了核反應中質量的損失。同樣的,當比鐵重的元素產生裂變時,也會因為質量的損失而釋放出蘊含在組成它的基本粒子中的核結合能。

最後一個問題,這些質量跑到哪去了?綜上所述,消失的質量是通過核結合能的形式存在,它被釋放之後,就變成了其它的能量,如光能、熱能、動能等,以各種形式存在於宇宙空間中了,根據能量不滅定律,也許在某個特定的條件下,它們又會以質量的方式出現。

相關焦點

  • 核聚變反應中,都說是損失了質量,釋放能量,可損失的質量在哪?
    那到底是什麼一直在阻擋發生核反應呢?這其實我們要搞清楚太陽內部的情況,我們都知道太陽大部分都是氫元素。但是對於我們來說,氫原子就是一個質子加一個電子。但實際上,太陽是以一種等離子的狀態存在的。具體什麼意思呢?
  • 被黑洞「吞掉」的東西去哪了?它另一面又是什麼?
    它是由恆星死去後產生的,在恆星燃燒的時候,內核中進行著核反應,產生向外的力來衡量向內的重力,燃料耗盡後,向外的力消失,恆星內核開始坍縮,當核的質量比我們太陽的四倍還大時候,就會坍縮到一個比豆子還小的點,叫做引力奇點。此時恆星的表層開始向外爆炸,形成超新星爆炸,留下的就是黑洞。
  • 如果能量守恆,那宇宙膨脹時,光子損失的能量去了哪裡?
    「在各種化學反應中,不會發生物質質量的損失;在所有物理變化中,沒有能量損失。」——亨利·恩菲爾德·羅斯科爵士上面這段話就是我們宇宙中的一個基本鐵律:能量守恆定律,所說的意思就是,能量不會無緣無故的產生,也不會憑空消失,一定是從一種形式轉化為了另外一種形式。
  • 木頭燒成灰,減少的質量哪去了?質量為何會憑空消失?
    那麼木頭「減肥」減哪去了呢?這似乎違背了我們從小接受的質量守恆定律,實際上加上產生的氣體質量也不夠。這個問題涉及到了宇宙「管理」一切物質的方法,下面通俗聊聊到底怎麼回事。質量哪去了?初中化學中有這麼一個實驗,把燃燒的木炭放入密閉容器中,再倒入澄清石灰水,會發現石灰水變渾濁,因為石灰水吸收了木炭燃燒後生成的二氧化碳。
  • 1斤木頭燃燒後只剩下不到1兩的灰,還有9兩多的物質哪去了?
    化學反應:質量守恆以前的人們肯定也注意到了,常見的木材、雜草燃燒以後,只剩下了一堆的白灰,那麼之前的物質都去哪了?其實關於這個問題人類很早就知道了其中的一部分原因,並給出了當時看來比較準確的解釋,不管當時解釋的是不是很完善,但這個問題並沒有困擾人類多長時間。
  • 一克鈾235裂變,會損失多少質量,又會產生多少能量?
    化學反應前後的質量不變,實際上是由於認知局限所造成的誤會,化學反應的過程中其實一樣會造成質量損失,只不過損失的質量太過微小了,微小到無法察覺的地步。直到人類清楚地看到核反應之後所出現的質量虧損,才意識到其實化學反應的過程中一樣存在著質量的損失。為什麼核反應能夠釋放如此巨大的能量呢?
  • 主序星中的核反應
    作者:晉童 銀河說原創原文發於知乎問題:恆星在主序帶時,核心進行核反應產生什么元素,並寫出核反應方程式?主序星中進行的一般是氫聚變為氦的核反應,生成的元素是氦。(*註:重元素:此處指除氫、氦以外的其他元素)1938年,英國物理學家貝特和德國物理學家魏茨澤克分別發現了發生於恆星內部的兩種氫聚變為氦的熱核反應(另一說是魏茨澤克於1937年提出,貝特於1938年提出)。
  • 從哪來,到哪去 - 中國質量萬裡行
    ☉墨卡託投影法地圖的繪製還是需要走出去看看的,理論要聯繫實際。1569年,墨卡託提出了利瑪竇後來用的投影法,從數學角度論證了怎麼把地球表面展開問題的解決辦法,再加上經緯度的表示方法,到這算是湊齊了現代地圖的基礎。
  • 太陽每秒損失420萬噸的質量,為什麼太陽還沒燒沒?
    所以,太陽核聚變反應依靠的是它自身龐大的體量。也正是因為是依靠量子隧穿效應,因此太陽的燃燒很緩慢,並不會像氫彈那樣一下子炸得渣都不剩。,也就是說,這個過程有質量損失。而這部分損失的質量是以「輻射」的形式釋放出來,我們可以通過愛因斯坦的質能方程E=mc^2來計算這部分質量對應的能量。由於c是3*10^9m/s,因此,這部分損失的質量所對應的能量是非常大的,這也是為什麼太陽的輻射總能量如此巨大的原因。
  • 太陽每秒損失420萬噸的質量,為什麼太陽還沒燒沒?
    我們打個比方,如果我們把太陽每秒的輻射總量看成是66萬億的錢,地球接收到的只有3萬,而被人類撿到的只有3塊。可以說,太陽的總輻射量是非常驚人的,可問題來了,太陽要保持這樣的輻射強度,每秒就需要消耗420萬噸的質量,這都燃燒了40多億年,為什麼沒有削弱太陽的引力呢?
  • 如果化學反應後質量和粒子數守恆,那能量來自哪裡?
    其實在化學反應中質量不守恆。質量守恆已經是錯誤、過時的概念首先要澄清的是,宇宙的基本守恆定律是質能守恆定律而不是質量守恆定律。這意味著在封閉的系統中,反應前的總質量和總能量等於反應後的總質量和總能量。根據愛因斯坦著名的方程E=mc^2,質量可以轉化為能量,能量可以轉化為質量。現在看來這並不是什麼奇特的過程,但事實上每次反應都會發生這個過程。
  • 太陽每秒損失400萬噸質量,根據萬有引力,地球會遠離太陽嗎?
    太陽每秒損失400萬噸質量,根據萬有引力,地球會遠離太陽嗎?然而,太陽不斷的進行核聚變從而輻射出大量的光和熱,本身就會消耗掉大量的物質,而根據測量得到太陽每秒輻射出來的總能量,再根據質能方程,科學家們最終得出太陽每一秒損失的質量達到了400萬噸,而根據萬有引力的定律,質量的減少,勢必影響引力的大小,而太陽引力的減弱,在一定程度上會使太陽對於地球束縛減弱,而地球就會遠離太陽!
  • 太陽正以每秒400萬噸的速度損失質量,地球會因此而遠離太陽嗎?
    太陽不停地「燃燒」,必定會消耗掉自身的一些物質,關於這一點,科學家告訴了我們一個數據:平均每一秒,太陽就會損失其自身大約400萬噸的質量。 但是等一等,既然人類並沒有強大到可以親自去稱出太陽的質量變化,那麼「400萬噸」這個數據是怎麼來的呢?
  • 它有質量為啥感覺不到?
    「每一次我們遇到困難的時候,我們應該感謝大自然母親,因為這意味著我們將要學到一些重要的知識。」——約翰·巴赫中微子難以捕捉、無處不在的性質,讓它博得了「幽靈粒子」的稱號,人們首次在核反應中發現中微子以後,一直認為其為0質量粒子,但後來太陽中微子的消失之謎,也稱為太陽中微子振蕩問題預示著標準模型預測的錯誤。今天我們就說下,何為中微子振蕩?為什麼說中微子有質量呢?
  • 核反應是物理變化還是化學變化?
    太陽能夠發光發熱是因為太陽上進行著熱核反應。熱核反應肯定不符合經典化學反應的定義。我在初中剛學習化學的時候,化學老師講了如何區分化學變化和物理變化,說有新物質生成就是化學變化,沒有新物質生成就是物理變化。
  • 太陽每秒鐘損失四百萬噸質量,在遙遠的將來是不是就沒有物質了?
    太陽每秒鐘損失四百萬噸質量,宇宙中無數顆恆星,在遙遠的將來是不是就沒有物質了?關於這個問題,實際上,我們要搞懂一件事情,那就是這個世界上存在100%的物質轉化能量的事情麼?確實有,目前,我們已經的是正反物質的湮滅,可以實現物質到能量的百分之百轉化。但是,核聚變反應不是這樣的,那核聚變反應的轉化率是多少呢?
  • 什麼是反物質?為什麼它比核聚變更高效、更清潔?
    今天我們要說的這種物質,不僅在地球上找不到,甚至你找遍全宇宙也發現不了它的蹤跡,它就是反物質,不僅稀有,而且它發生反應以後,所釋放的能量是核反應所不能比擬的。你之前可能聽說過反物質,也許你已經忘了它到底是什麼?
  • 人體內也在進行核反應嗎?
    那麼,人體內也在進行核反應嗎?面對這一問題,我們就不免要困惑了:我們身體內能進行核反應嗎?是像原子彈那樣的核裂變,還是像氫彈那樣的核聚變?如果不可能,那麼下面的情況該如何解釋呢?可是經過長期統計,他們否定了這個推測,因為幾個月以來一直是這種情況,這樣下去,6個月的排洩,就可以損失掉人體骨骼組織中80%的鎂。但是經過醫學檢查,那些人體內的鎂並沒有怎麼減少。那麼,多出來的鎂又是從何而來的呢?這比較怪異,我們的身體有點像民間故事中的聚寶盆了,往聚寶盆裡放一些東西,可以從聚寶盆中拿出更多的同樣的東西。可是這怎麼可能呢?梅茨和哈塞爾曼等人對非洲工人體內鎂的神秘增多現象總想搞清楚。
  • 重離子核反應與核物質狀態方程
    圖1 為兩個中子星由旋進到併合的過程示意圖。事實上,這一發現不僅對天文學研究產生了很大的影響,在核物理學領域,也掀起了一陣研究的浪潮。這是為什麼呢?中子星的併合過程,與核物理有什麼關係?本文的故事,就從這裡開始講起。
  • 核反應背後的質能方程,其實很多人理解錯了,真正的解讀在這裡
    其實很多人對它的理解是存在誤區的,很多人認為:在核反應中發生質量虧損,少掉的質量轉變為能量釋放出來,就以為核反應質量不守恆,其實這種觀點不正確,那真正的質能方程的含義是什麼?這得從方程的起源說起。從本質說起質量指的是物體所含物質的多少,比如一塊鐵,它所含的鐵物質越多,那就說它的質量越大。