核反應中到底損失什麼質量 ?

根據質能方程,核聚變和裂變中都是要損失質量釋放能量,然而大部分核反應中前後質子數和中子數是不變的,那麼原子核中損失的質量是什麼質量呢?或者原子核質量不嚴格等於其中質子和中子質量簡單相加?


首先,質子的質量和中子的質量是不一樣的,中子的質量稍大,所以假如有某個核反應,反應前後質子數和中子數之和是不變的,但是中子數變少了(質子數變多了),那麼該反應肯定會要釋放出能量。

其次,對於任何一種元素,它的原子核是由中子和質子構成,但是它的總質量並只不是中子質量和質子質量之和,因為中子和質子構成該原子核時會釋放出一部分能量,這部分能量叫做結合能。這和化學中兩種物質發生反應組成一種物質(穩定存在的物質)時一般會放出一部分能量一樣,這可以理解為所有物質都傾向於處於能量比較低的狀態,能量比較低的狀態也會比較穩定。

另外,我們要引入一個平均結合能的概念,就是上面提到的這個結合能除以該元素原子核中質子和中子的數目之和,這個平均結合能表示的就是當所有獨立的中子和質子結合成該種元素的原子核時,平均每個核子(中子或質子)釋放的能量。而經過實驗測定,每種元素的平均結合能是不同的,隨著原子序數的增大,平均結合能先增大,然後又降低,其中最Fe的平均結合能最大。因為平均結合能表示的是結合成該元素時單個核子釋放的能量的大小,所以結合成Fe時每個核子釋放的能量最大。所以,只要比Fe輕的元素,在適當的條件下發生聚變時,此時因為結合成較大的元素釋放的能量較大,所以發生聚變時是有能量盈餘的,這些能量就會釋放出來,這就是聚變能。同時,當元素比Fe重時,它在適當的條件下發生裂變時,由於在這個範圍內結合能是隨原子數降低的,所以重元素裂變成輕元素時也是有能量盈餘的,這就是裂變能。

所以,如果你想辦法滿足所有元素的裂變或者聚變的條件讓其發生核反應,那麼所有的元素最終都會變成Fe,不過有些反應應該是極難發生的,如果你給它的能量過大的話,反應會不會逆上述過程發生,我就不清楚了。


損失的質量來源於裂變/聚變的反應物。

D+T=He+n

聚變反應為例,等式左右兩邊的質子中子數量相等,但是左邊的氘和氚原子核質量加起來是大於氦原子核質量加上一個中子n的質量的。

而為什麼同樣的質子中子數量而質量又會不相同呢,那是因為質子和中子還不是組成原子核的最基本的粒子。質子和中子都由一種叫夸克的基本粒子組成,夸克又分為6種,並且每一種都對應著相應的反夸克,題主有興趣可以自行維基百科。

夸克不能被直接觀察到也不可以被單獨分離出來,夸克通過核力結合在一起形成質子和中子,這裡的核力是各種相互作用力的總和(電荷作用力,萬有引力和「把夸克綁在一起」的力等等)。這裡的「把夸克綁在一起的力」非常的大,大到可以幾乎忽略掉其它的相互作用力。正是因為有了這個作用力,導致了中子/質子的質量 &> 組成它們的三個夸克質量和(力是能量的一種存在形式,在靜態系統中任何形式的能量都表現為靜質量)。同理,由於核力的不同,相同數量質子中子的D + T和 He + n的質量也不同。

所以在D + T = He + n 反應中,損失的質量來自於核聚變反應物。


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