核反應前後中子和質子數量並沒有變,損失的質量來自哪裡?

孫寶乄

題主的這個問題包含著多個問題。

人類現在能夠操作的核反應,反應前後質子數和中子數都不變,但並非任何核反應中質子數或中子數都不變。比如,太陽上的質子-質子鏈核聚變反應,第一步的反應中就有中子生成,兩個質子生成一個氘核及一個正電子和中微子,方程式為1H + 1H → 2H + e+ + νe。

在一些粗略計算中經常認為原子核的質量等於質子的總質量加上中子的總質量(比如質量數等於質子數加中子數),實際上並不等於。這就涉及到對愛因斯坦質能方程E=mc²的理解。

E=mc²將能量與質量聯繫在了一起。質能方程不僅適用於核反應,也適用於化學反應,適用於任何能量的轉化和轉移。化學反應後,生成物的質量並非嚴格等於反應物的質量,虧損的質量乘以光速的平方正好等於化學反應中釋放的化學能。

核子之間存在著庫倫相互作用及強相互作用,將核子拆開或重新組合在一起就要涉及到相互作用力做功,這樣就會有能量發生變化。能量變了就意味著質量變了,質量的變化量正是等於能量的變化量除以光速的平方。


刁博

題主這裡弄錯了,核反應過程中的質子數量和中子數量會發生變化,不變的是質子和中子的總數,即重子總數保持不變。這裡所謂的重子指的是質子和中子,由於這兩種亞原子粒子都是由三個夸克組成,它們統稱為重子。以太陽內部的質子-質子鏈式反應為例,其總反應式如下:

可以看到,四個氫原子核通過核聚變反應結合成一個氦原子核,核反應前總共有4個質子,而核反應後只有2個質子;核反應前沒有中子,核反應後有2箇中子。因此,在核反應前後,質子數量和中子數量都是不守恆的。不過,核反應前後的重子總數均為4個,這是守恆的。儘管核反應前後重子總數守恆,但質量確實減少了,它們就會轉化為能量被釋放出來。

前面說到,質子和中子都是由三個夸克組成,但組成它們的夸克是不同的,它們具有質量差異。不過,質子和中子的質量差異並不是核聚變反應質量損失的來源,真正的來源其實是核結合能。根據愛因斯坦的質能方程:E=mc^2,質量和能量是等價的。質子和中子在結合成原子核之後,原子核的總質量會小於自由質子和中子加起來的總質量,那些少去的質量變為核結合能,所以質子和中子才能結合在一起。

把核結合能比上核子數(質子和中子總數)得到比結合能,它表示原子核的穩定性。原子核的比結合能越高,它就越穩定,越不容易發生核聚變反應。各元素的比結合能如下圖所示:

可以看到,氫原子核結合成氦原子核之後,比結合能增大,這部分能量就會被釋放出來。


火星一號

其實,問題的實質是錯誤的,原因是提問者的基本概念不清楚。實際情況是,原子核在核反應後,整個體系的質量和能量(指每個原子核的結合能)都發生了改變,不改變的,只是“質量數”而已。

出現這種基本錯誤的原因,是在於提問者認為原子核的“質量數”就代表了它的質量,其實是完全錯誤的。質量數只是一個“純數字”,其基本意義可以理解成為是“原子核中的質子數與中子數的總和”,與原子核的質量沒有直接關係。

在發生核反應時,反應前後的“重子數”必須保持守恆,所以出現了“核反應前後的質子數和中子數的總和”沒有發生改變的情況,但這並不代表質量和能量沒有改變。

再重複一遍,“質量數”只代表了原子核中的“質子數與中子數的總和”,並不代表任何的“質量”!


手機用戶58903279720

一句話,質量是能量的表像。題主所說的虧損質量其實是默認的是物質質量,這是不準確的。質子是帶正電的,中子不帶電,那質子和質子之間應該是排斥的,那為什麼會被束縛在原子核內呢,原因是存在一種比電磁力更強的力把質子束縛在一起,這就是強相互作用力,在聚變或者裂變時,都是對原子核穩定性的破壞,將多餘的結合能釋放出來,而這部分釋放的能量可以為原來的原子核提供質量,,其實不準確的講,質能方程可以告訴你能量有多重。但是質能方程也符合物質質量到能量的轉換,比如正反電子的湮滅,就是物質粒子徹底變成了能量,以光子的形式釋放。


大嘴猴82927177

嚴格的說,質子變中子,或者說裡邊夸克變少了,比如說質子失去一個下夸克,下夸克變成上夸克,但這個變化會失去能量,變成中子,或者丟掉上夸克,變成中微子,上夸克變成中微子會質量損失,變成能量


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