质能方程与核能--《安顺师范高等专科学校学报(综合版)》2006年02期
质能方程与核能
【摘要】：作者从牛顿第二定律出发,利用爱因斯坦相对论动力学基本方程推导出质能方程。质能方程是制造原子弹和核电站的理论基础。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：O412.1【正文快照】：
1905年爱因斯坦首次提出了相对论,相对论和量子论都被列入迄今为止最伟大的科学成就,支撑着所有的现代物理学。爱因斯坦的一生,对科学的贡献非常巨大,由狭义相对论得出的质能关系式,它是近代物理、天文学、原子能利用等领域的重要理论基础,特别是原子能的和平应用,在人类历史
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爱因斯坦著名的E=mc² ，E表示能量，m代表质量，而c则表示光速常量。质能方程表述了之间的关系，所以不违背。同时公式说明物质可以转变为，辐射能也可以转变为物质。这一现象并不意味着物质会被消灭，而是物质的静质量转变成另外一种运动形式。爱因斯坦1905年6月发表的论文——《关于光的产生和转化的一个启发性观点》解释了光的本质，这也使他于1921年获得了。
质能转换公式、
质能方程并不违反质量守恒定律，质量守恒定律是指在任何与周围隔绝的体系中，不论发生何种变化或过程，其总质量始终保持不变。或者说，化学变化只能改变物质的组成，但不能创造物质，也不能消灭物质，所以该定律又称。相对论的一个重要结果是的关系。质量和能量是不可互换的，是建立在狭义相对论基础上，1915年他提出了。因为在经典力学中，质量和能量之间是相互独立、没有关系的，但在相对论力学中，能量和质量是可互换的。20世纪以后，因此而在原来质量守恒定律和上发展出质量和能量守恒定律，合称。质能方程关于质量和能量的关系：质量和能量就是一个东西，是一个东西的两种表述。质量就是内敛的能量，能量就是外显的质量。正如爱因斯坦而言：“质量就是能量，能量就是质量。时间就是空间，空间就是时间。”
E equals M C squared.E is equal to M C squared.也可以用解释的方法念Energy is equal to mass multiplied by the square of the speed of light.质能方程分为总能量和静止质量。
爱因斯坦质能方程该公式表明物体相对于一个静止时仍然有能量，这是违反牛顿系统的，因为在牛顿系统中，静止物体是没有能量的。这就是为什么被称为静止质量。公式中的E可以看成是物体总能量，它与物体总质量（该质量包括静止质量和运动所带来的质量）成正比，只有当物体静止时，它才与物体的（静止）质量（牛顿系统中的&质量&）成正比。这也表明物体的总质量和静止质量不同。反过来讲，一束光子在真空中传播，其静止质量是0，但由于它们有运动能量，因此它们也有质量。
质能方程含义表明，质能方程没有质能转化的含义，质能方程只反映在量值上的关系，二者不能相互转化。对一个封闭系统而言，质量是守恒的，能量也是守恒的。在物质反应和转化过程中，物质的存在形式发生变化，能量的形式也发生变化，但质量并没有转化为能量。质量和能量都表示物质的性质，质量描述惯性和引力性，能量描述系统的状态。
术语的不同
注意：有些术语使用中，质量单指静止质量，因为总质量和能量是等价的概念。若指代静止质量，则公式应改写为，因此，也就是总质量的表达式，其中为因子。
质能方程首先要认可狭义相对论的两个假设：1、任一光源所发之球状光在一切惯性参照系中的速度都总为c。 2、所有内的都是相同的。如果你的行走速度是v，你在一辆以速度u行驶的公车上，那么当你与车同向走时，你对地的速度为u+v，反向时为u-v，你在车上过了1分钟，别人在地上也过了1分钟——这就是我们脑袋里的常识。也是物理学中著名的伽利略变换，整个经典力学的支柱。该理论认为空间是独立的，与在其中运动的各种物体无关，而时间是均匀流逝的，线性的，在任何观察者来看都是相同的。而以上这个变换恰恰与狭义相对论的假设相矛盾。事实上，在爱因斯坦提出狭义相对论之前，人们就观察到许多与常识不符的现象。物理学家洛伦兹为了修正要倾倒的大厦，提出了，但他并不能解释这种现象为何发生，只是根据当时的观察事实写出的经验公式——洛伦兹变换——而它却可以通过相对论的纯理论推导出来。然后根据这个公式又可以推导出质速关系，也就是时间会随速度增加而变慢，质量变大，长度减小。
这个方程对于原子弹的发展是关键性的。通过测量不同原子核的质量和那个数量的独立质子和中子的质量和的差，可以得到原子核所包含的的估计值。这不仅显示可能通过轻核的和重核的核裂变释放这个结合能，也可用于估算会释放的结合能的量。注意质子和中子的质量还在那里，它们也代表了一个能量值。这个等式源于对于物体惯性和它自身能量关系的研究。研究的著名结论就是物体质量实际上就是它自身能量的量度。为了便于理解此关系的重要性，可以比较一下和引力。理论认为，能量包含于与力相关而与电荷无关的场（电场和磁场）中。在理论中，能量包含于物质本身。因此物质质量能够使，但其它三种基本相互作用（，，）的粒子却不能，这并不是偶然的。一个著名的花絮是爱因斯坦最初将方程写为（用了一个“L&，而不是“E&来表示能量，而E在其它地方也用来表示能量）。一千克物质完全等价于89,875,517,873,681,764焦耳大约21,470,501,160,000卡路里24,965,421,632千瓦时21. 百万吨TNT大约0. Quads（千兆英热单位）重要的是要注意实际的静质量到能量的转换不大可能是百分之百有效的。一个理论上完美的转化是物质和的湮灭；对于多数情况，有很多带静质量的副产品而不是能量，因而只有少量的静质量真正被转换。在该方程中，质量就是能量，但是为了简明起见，转换这个词常常被用于代替质能等价关系，实际上通常所指的一般是静的转换。
质能方程物体的静止能量是它的总内能，包括的动能、的势能、使原子与原子结合在一起的、原子内使原子核和电子结合在一起的，以及原子核内质子、中子的结合能…….物体静止能量的揭示是相对论最重要的推论之一，它指出，静止粒子内部仍然存在着运动。一定质量的粒子具有一定的内部运动能量，反过来，带有一定内部运动能量的粒子就表现出有一定的.在转化过程中，有可能把粒子内部蕴藏着的全部静止能量释放出来，变为可以利用的动能。例如，当衰变为两个光子时，由于光子的静止质量为零而没有静止能量，所以，π介子内部蕴藏着的是全部静止能量。
在一个孤立系统内，所有粒子的相对论动能与静能之和在相互作用过程中保持不变，称为。在相对论里，质能公式描述了存在固定关系。在经典力学中，之间是相互独立、没有关系的，但在相对论力学中，能量和质量只不过是物体力学性质的两个不同方面而已.这样，在相对论中质量这一概念的外延就被大大地扩展了.爱因斯坦指出：“如果有一物体以辐射形式放出能量ΔE，那么它的质量就要减少.至于物体所失去的能量是否恰好变成，在这里显然是无关紧要的，于是我们被引到了这样一个更加普遍的结论上来.是它所含能量的量度，”他还指出，“这个结果有着特殊的理论重要性，因为在这个结果中，物体系的惯性质量和能量以同一种东西的姿态出现……我们无论如何也不可能明确地区分体系的‘真实’质量和‘表现’质量.把任何惯性质量理解为能量的一种储藏，看来要自然得多.”这样，原来在经典力学中彼此独立的和结合起来，成了统一的“质能守恒定律”，它充分反映了物质和运动的统一性。质能方程说明，质量和能量是不可分割而联系着的.一方面，任何物质系统既可用质量m来标志它的数量，也可用能量E来标志它的数量；另一方面，一个系统的能量减少时，其质量也相应减少，另一个系统接受而增加了能量时，其质量也相应地增加。
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火焰中的质能方程
核裂变和核聚变的本质就是质能转换，而普通大众常以为质能转换只发生在核弹的爆炸中，核电站的运行中以及太阳核心发生的反应中，但是其实，物理学家告诉我们，质能转换很普遍，就发生在我们的身边。
　　几乎所有人都理解核裂变和核聚变的原理，但今天我们还想走得更深入、更本质一些。
质能转换总是轰轰烈烈？No！
　　众所周知，两个较轻的原子核，结合成一个较重的原子核时，总质量会变小，并放出巨大的能量（这是氢弹的过程）。不要以为这种轰轰烈烈的现象，只会发生在像太阳这样的恒星中，以及人类制造的氢弹中。
　　其实，我们平常看到的一些现象，也是因为质量发生极其微小的变化，才放出能量的。比如，两个氢原子和一个氧原子结合在一起，构成水分子时，一个水分子的质量一定小于两个氢原子加上一个氧原子的质量之和。减少的那部分质量呢，就转化为：氢气在氧气中剧烈燃烧，放出的大量热量。
　　而且，一个电子和质子结合而成氢原子时也会放出能量。
　　再比如，燃烧一张纸时，如果我们能非常精确地称量纸张燃烧后产生的所有东西（如灰烬和各种气体）的质量，就会发现，原来的纸张中有一小部分质量消失了——这部分消失的质量，就被转化成了能量。
　　此说法来自《可畏的对称》一书，此书作者徐一鸿，是一位出生在中国、在巴西长大的美籍华裔物理学家。
　　这就给了我们一个重要的启示：我们需要站在一个更高的角度来认识“质量和能量”的正确关系，即质量就是锁闭起来的能量，而能量就是释放了的质量。
　　能量和质量的转换并不全是发生在宇宙的恒星中，爆炸了的核弹中，而是一种非常普遍的现象，它就时时刻刻都发生在我们的日常生活中，发生在我们身边。只不过，发生在我们日常生活中的质能转换，在化学教科书中通常将之叫作化学能，但化学能更深的本质还是质能转换。
　　根据爱因斯坦的质能方程，1克的质量如果全部转化为能量的话，大概跟1000吨TNT炸药放出的能量差不多。如果将这些质量全部转变成电能的话，结果更是惊人，它们足够维持一个100瓦的灯泡持续不断地亮上35000年。
　　目前，效率最高的质能转换发生在核聚变（氢弹）中，其次是核裂变（原子弹）中，一个小小的铀原子，其发生裂变时放出的能量，足以让一粒沙子发生移动。
　　虽然从表面上看，原子弹和氢弹的反应原理各不相同，但是，其本质是完全一样的：都是由质量转换成了能量。
核子是个偏心眼儿
　　铀元素是第92位元素，所以，在铀核里面，肯定住着92个质子。除此之外，跟质子同处一核的，还有许多中子。中子的数量是不固定的，有的铀核中有146个中子，146加上92等于238，因此，我们把这类铀原子称为铀238；有的铀核中只有143个中子，143加上92就是235，于是，我们把它称为铀235。
　　原子核里面的质子和中子统称为核子。为了便于说明问题，咱们暂时先把每一粒核子比作一粒葡萄，那么铀235就相当于一大串诱人的葡萄。
　　如果把235粒独立的葡萄聚合在一起，总质量肯定会减少。假设总质量减少了235毫克，那么平均下来，1粒葡萄就减少了1毫克。
　　现在，我们再把这一大串葡萄分成大小差不多的两小串葡萄。按常理推论，把这两小串葡萄的质量相加，应该等于之前那一大串葡萄。可奇妙的事情又发生了，这两小串葡萄的质量之和，竟然小于那一大串葡萄，足足又少了235毫克，那也就是说，平均每粒葡萄在原来的基础上又减少了1毫克，这是为什么呢？
铀原子核的裂变
　　难道……核子在组成不同的原子核时，损失的质量是不一样的？同样一个核子，在铀核里面，它减少的质量要少一些；当它在别的原子核里时，减少的质量就会多一些？这是真的吗？
　　是的。这就是为什么，两个中等大小的原子核聚变成铀核时，需要吸收能量，因为铀核的质量增加了。这种情况通常发生在恒星最后的大爆炸中，那些比太阳还大的恒星，当它们的内部产生了铁、镍等元素后，基本上就可以宣布，此恒星已经玩完了，因为它们的‘核燃料’已彻底用完。这个时候，因为万有引力，这个将死的恒星会向中心极速收缩，最后发生一次惊天大爆炸。大爆炸产生的能量非常高，所以，很多像铀这样的重元素就在这次大爆炸中合成了，是恒星最后的大爆炸为两个中等的原子核聚合成铀核提供了大部分能量。
　　图为1054年发生的一次超新星爆发后的遗迹，我国宋朝的天文学家当时记录了这次天文事件。像银、金、铀等等这些重元素就合成于恒星的大爆炸中
　　反之，当铀核分裂成大小差不多的两个原子核时，又会把之前吸收的能量放出来，此时，每个核子的质量就会再次减少了。
　　这个过程就告诉我们：核子是偏心的，当它们在铀核家的时候，质量就少损失一点，而在其他家的时候，比如在铁核家时，就会多损失一点。
　　至于核子为什么是偏心眼儿，而且单单偏袒铀核家，呵呵，这暂且还是大自然的秘密。
原标题：质能转换？真的不是核爆的专利
作者：寒木钓萌
来源：蝌蚪五线谱