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为什么裂变后的质子中子平均质量会降低?

来源:学生作业帮 编辑:灵鹊做题网作业帮 分类:物理作业 时间:2024/06/30 16:41:40
为什么裂变后的质子中子平均质量会降低?
如果平均质量降低了,那么裂变后的质子和中子不就和裂变前的不一样了吗?
我知道有些金属和非金属中质子中子平均质量不一样,可是这是为什么呢?
要是有一部分质量变成能量了,那么是质子和中子中哪一部分泯灭了呢,夸克?还是更小的什么东西?
这个问题困扰我高中三年了,期待权威的解答.
各位还是没有明白我的意思,E=MC方我知道,我要问的是裂变前后质子中子的区别。
为什么裂变后的质子中子平均质量会降低?
首先请你明白质量与能量是等价的:
“有一部分质量变成能量了”这种说法严格来说是不对的,所谓“变成”或“转化”,其实只是形式上的,不是本质上的.实在要说能量与质量的区别,那也只是两者给人的感觉和印象不同,本质上两者是同一的.
自从诞生了狭义相对论,导出了E=mcc以后,质量与能量就成了同一种东西的两个名称而已.可以这样说:质量是内敛的能量,能量是外显的质量.
由此就不难推断:物体的质量是可变的,并且随着速度的增大而增大.这是因为速度增大就意味着动能增大,亦即总能量增大,而能量与质量是一回事儿,所以质量也增大.但是应注意:每个粒子在自由状态下的静止质量(对应着粒子的静能)是固定不变的.
关于能量与质量的单位不同的问题,那就像千克与磅或盎司等单位不同一样,不过是一种习惯的不同,或者应用上方便而已,并无本质上的区别.一个最明显的例子是:在高能粒子物理中,粒子的质量通常都不是用千克等国际单位,而是用MeV——百万电子伏特,这是一个典型的能量单位,它指一个电子在经过一百万伏特电压的加速后获得的能量.由于用MeV来表示粒子的质量很方便——不必再使用十的负几十次方千克这样的极小数字,所以粒子物理学家基本上总是用MeV来表质量,因为两者本来就是一回事儿.
以下我基本上只提到能量,而不再提质量.你如果将其中的能量全换成质量,那一点儿都不改变问题的实质.
其次请你明白场的能量与实物粒子的能量可以互相转换但又是一体的:
所有的相互作用力都是通过相应的场来实现的,而场中是遍布着能量的.按现代物理的重要基石——量子场论的观点,场就是一大群来来往往进进出出的虚粒子.比如电场和磁场就是虚光子,带有电荷的物质(比如电子、质子)能发射出各种大小的虚光子,又很快收回一部分自己发出的虚光子,同时也吸收别的带电物质发出的虚光子(按测不准原理,只要虚光子的能量与其生存的时间的乘积不大于某个常数——普朗克常数除以两倍的圆周率,这种发射又吸收的情况就是大自然允许的普遍过程).正是在这不断的发射与吸收中,表现出了排斥和吸引.排斥就像武侠或神怪影片或游戏里的那些人物可以自己从手掌中生出火球或闪光,并以此来攻击别人那样.吸引时虚光子的“飞行”状况则有点儿类似于澳洲土著抛接的那种叫“飞去来”的飞镖.与宏观事物的类比也只能是有一点形似而已,因为从本质上看,微观世界的奇异性是全新的,是我们日常生活中从未经验过的.正因如此,连伟大的爱因斯坦也被描述微观奇异世界的量子力学困扰一生.可以说,这些虚粒子的能量就是场的能量.(所谓“虚”,不是说它们不真实,只是说它们转瞬即逝,又突然凭空诞生,不能被仪器直接测量到,但用间接的方法是可以的.)
实物粒子可以将自身的一部分能量转移到场能中,比如,高速的阿尔法粒子正撞金的原子核,刚开始阿尔法粒子动能很大,它自身的能量也很大;当它达到最靠近金核的位置时,动能为0,自身能量最小,而此时它与金核之间的静电场的能量达到最大,也就是电势能最大.电场增大的那部分能量(即更多了的虚光子群的能量)来自于阿尔法粒子的部分能量——它的初始动能.
实物粒子也可以吸收场的能量而让自己增加能量,上述阿尔法粒子反弹回去时越来越大的动能就是源于电场能.
然而,实物粒子与它的场是不可分割、浑然一体的,理论上有实物粒子的“裸”质量,但实测只能测到“裸”粒子连同萦绕其旁的虚粒子云的共同质量——实测到的粒子必是“着装”的,虚粒子云就是实物粒子那缥缈的衣裳.因此,从这个意义说,前两段的说法是不妥当的:应该说,碰撞的各个阶段,粒子的能量都没变,只是有部分能量在它的“身体”与“衣裳”之间转移——远离时,体胖而衣薄;靠近时,身瘦而装厚.
最后请你明白束缚态总存在着不同结构的能级而系统又总是趋向于稳定在最低能级:
所谓束缚态,就是相互吸引的若干个非自由的粒子构成互不分离的一个整体的那种状态.最典型也最简单的一个束缚态就是氢原子.量子力学的计算结果表明束缚态总存在着一定结构的能级,不同束缚态显然有不同的能级结构(比如最低能级的深度不同,各能级间的差距不同等).之所以是不连续的能级,可以用物质波在有限的空间里形成驻波来定性地理解.
水往低处走,这是稳定平衡的特征——系统总是趋于能量最低,微观量子束缚态也是如此——总是尽量占据最低能级,多余的能量采用多种方法释放出去.
来看太阳上常见的核聚变形式——4个质子聚变成1个氦核:该反应的第一阶段是2个质子以高速正撞,质子的大部分动能变成了排斥的电场的场能;当两质子足够靠近时,短程但强大的核吸力一下子就超过了电斥力,两质子成了束缚态,相应的能级结构中越来越低的能级等着质子去占据;与此同时,核力场的场能(即衣裳的能量)开始向“裸”质子的“体能”转移,而在向低能级跃迁时,多余的体能又以一个正电子和一个中微子的能量的形式释放出去,这样两个质子就变成了一个氘核.氘核里一个质子与一个中子的能量(包括各自的身体与衣裳)之和比自由状态下的一个质子与一个中子的能量之和要小.细分起来,氘核里质子的“身体”比自由质子的“身体”还要更“胖”一些(因为束缚态的质子总有一定的运动速度),但前者的“衣裳”比后者“薄”不少,所以,总的来说,还是前者的能量更小.中子的情形是类似的.差额部分主要是由刚说过的正电子和中微子带走的.该反应还有两个阶段,不再细说,反正同样是核力场的部分能量(也就是构成核力场的虚介子云的能量,亦即“衣裳的能量”,以后简称“衣能”)进一步转移到裸核子的能量中(核子是中子与质子的合称,裸核子的能量以后就简称“体能”),而为了向更低的能级跃迁,又必须抛弃一部分体能,在后两个阶段,这些多余的体能主要是以伽马光子的形式释放出去的.该聚变核反应的三阶段都完成后形成的氦核中的核子占据不同的能级,因此它们的体能、衣能以及总能的变化各不相同,但平均来说,氦核中的核子的总能进一步降低.
抛弃多少多余的体能,关键看能级的结构是怎样的,而相关的计算极其复杂(学过氢原子能级及相应的波函数的人就知道,相关的计算已相当复杂).每种原子核都有自己独特的能级结构以及各核子占据能级的不同分布,于是各个核中的各个核子的衣能、体能、总能都各不相同.粗略来说有如下规律:从氢到铁,各核中的核子的平均总能是逐渐减小的(有些核会偏离这一趋势而成为例外),因此这个范围内的核发生的聚变反应大多是释放能量的,而裂变反应则是要吸收能量才能发生;从铁到铀(不算人工合成的核),趋势正相反,各核中的核子的平均质量逐渐增大,此范围内的聚变大多吸能(几乎所有的重核都是在超新星爆发时主要吸收引力能而聚变形成的),裂变则释能.
写了好多,好像有点乱,不知说清楚了没有……还有啥问题,我们可继续讨论.