走出“結合能、比結合能”認識的誤區

陸光華

（江蘇省興化中學，江蘇 興化 225700）

“結合能、比結合能”是高中物理的一個難點.在教學實踐中筆者注意到，學生在學習完本節內容后往往對本節內容存在種種認識誤區，本文列舉了一些常見的認識誤區，并對其進行分析、講解.

誤區1：結合能是由于核子結合成原子核而具有的能量.

由于核子間存在著強大的核力，所以核子結合成原子核或原子核分解為核子時，都伴隨著巨大的能量變化.可見，當核子結合成原子核時要放出一定能量；原子核分解成核子時，要吸收同樣的能量.這個能量叫做原子核的結合能.

因此，結合能并不是由于核子結合成原子核而具有的能量，而是為把原子核分解為單獨核子而需要提供的能量，或者是單獨核子結合成一個完整的原子核所釋放出來的能量.

誤區2：所有核反應都釋放能量，所釋放的能量就是結合能.

（1）并非所有的核反應都是放能反應，例如，我們把原子核拆成單獨核子就需要吸收能量，只不過我們在學習中接觸的釋放能量的核反應比較多而已.

誤區3：核反應中質量數守恒，因此核反應中不應有質量虧損.

質量數是將原子核內所有質子和中子的相對質量取近似整數值相加而得到的數值.由于一個質子和一個中子相對質量取近似整數值時均為1，所以質量數＝質子數＋中子數.

圖1

因此在核反應中盡管核子的數目不變（質量數守恒），但是核內每個核子仿佛“瘦了”一些，出現了質量虧損，使得組成原子核后總質量變小.

誤區4：核反應前后質量出現虧損，因此反應前后質量不守恒.

誤區5：由ΔE＝Δmc2，核反應中物體質量虧損轉化為能量釋放出來.

質能方程E＝mc2，是愛因斯坦從其相對論中得出的結論，它能反映物體的質量和該物體所具有的能量之間存在著簡單的正比關系，且其比例系數為真空中光速的平方.

我們既不能認為質量就是能量，因為質量和能量是兩個不同的物理量；也不能理解為質量可以轉化為能量，不同形式的能量可以相互轉化，質量又怎么能轉化成能量呢？打個比方，我們到操場上跑步，在能量轉化過程中出了一身汗，人的質量變小了，但我們不能說，人的質量變小轉為能量.能量來源于我們自身的化學能，我們跑步時間長了，肚子餓了，要吃東西補充能量.

所以說，質量和能量是兩個不同性質的物理量，釋放出來的核能不是物體的質量轉化來的，是物體自身所蘊藏的能量釋放出來，本質上還是能與能的轉化.

另外需要提醒的是，不少資料上“1u＝931.5MeV”的寫法是錯誤的，因為質量和能量是兩個不同的物理量，可以寫成“1uc2＝931.5MeV”.

誤區6：Fe的比結合能最大，意味著它最穩定，那為什么鐵容易氧化？

比結合能是結合能與核子數之比，也叫平均結合能.比結合能越大，意味著把這樣的原子核拆開，平均每個核子所提供的能量多，這表明原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩定.如圖2所示，從比結合能圖像看，中等核子比結合能大，表明中等核子原子核更穩定，其中比結合能最大的是質量數為56的鐵，這表明鐵原子核最穩定.但鐵容易被氧化是電子的得失，與原子核無關，是其化學性質的體現.

圖2

誤區7：同種核子的質量都完全一樣.

在誤區2的分析中我們意識到，單獨核子比原子核中同種核子的質量大.事實上不僅如此，不同原子核中同種核子的質量也有微小差別.

比如，氘核和氦核比結合能差別很大，氦核的比結合能約是氘核的7倍，那么在單獨的核子結合成原子核的過程中氦核中每個核子釋放的能量約是氘核的7倍，其質量虧損也就是氘核的7倍.那么氦核里的核子質量就比氘核要小一點點.

1 物理教材編寫組：普通高中物理課程標準實驗教科書 物理 選修3-5［M］.北京：教育科學出版社，2006.

2 人民教育出版社課程教材研究所 物理課程教材研究開發中心：普通高中物理課程標準實驗教科書 物理 選修3-5教師教學用書［M］.北京：人民教育出版社，2005.