究竟什么是原子核的結合能

單華文

[摘? ?要]高中物理必修3-5中對原子核的結合能是這樣定義的：“原子核中核子分開需要的能量叫作原子核的結合能。”學生不能準確理解課本中的表述，出現了許多疑問和困惑，那究竟怎么定義和描述結合能，學生才容易理解呢？文章結合教學實踐作了簡要的分析。

[關鍵詞]結合能;比結合能;質量虧損

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2018）35-0051-01

物理概念和物理量本來就非常抽象和難于理解，如果課本對物理概念的描述不合理，學生就更加難理解了。結合能是原子核物理中非常重要的物理概念和物理量，現行高中物理必修3-5中結合能是這樣表述的：“原子核是核子憑借核力結合在一起構成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結合能。結合能并不是由于核子結合成原子核而具有的能量，而是為把核子分開而需要的能量。”由于課本中結合能的定義，學生感覺結合能非常抽象，很難理解，并且非常困惑，為什么分開就需要能量？既然是分開需要的能量，為什么不叫作分開能？而叫作結合能呢？因為對結合能不能準確理解，所以學生對課本中的表述“比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩定”就更加不能理解，為什么比結合能越大，原子核就越穩定？不是組成原子核的核子越多，它的結合能就越高，所以分開需要的能量就越多，應該就越穩定、越牢固嗎？但天然放射性現象已經說明了原子核中核子越多，原子核是越不穩定的，會自動釋放各種射線。更加不能理解“如果使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成中等大小的核，核子的比結合能都會增加，即核子將發生新的質量虧損，釋放新的結合能”。為什么這樣就有質量虧損？學生產生這些疑問和困惑的原因就是課本對結合能的定義、描述不準確導致的，課本從核力直接到結合能，而把關鍵的核力做功忽略了。

本人在教學過程中是這樣描述結合能的，首先定性描述，單個的質子和中子結合成原子核的過程中，由于核力做正功就會釋放能量，這個能量就叫作原子核的結合能，反之，要使原子核再分解為單個的質子和中子，由于要克服核力做功，就必須給予和結合過程釋放的等值的能量。再定量描述，原子核既然是由核子組成的，它的質量就應該等于全部核子質量之和。設以[mX]、[mP]、[mn]分別表示原子核[AZX]、質子和中子的質量，于是原子核的質量應為[ZmP+（A-Z）mn]，但實驗測定的原子核質量[mX]總是小于核子的總質量[ZmP+（A-Z）mn]，這一差額[Δm=[ZmP+（A-Z）mn]-mX]稱為原子核的質量虧損。

根據愛因斯坦的相對論，物體的能量與它的質量存在關系[E=mc2]，核子結合成原子核的過程能量一定是守恒的，根據能量守恒定律[[ZmP+（A-Z）mn]c2=mXc2+ΔE]，得：[ΔE=[ZmP+（A-Z）mn-mX]c2]，顯然當系統的質量改變時一定也有相應的能量改變[ΔE=Δmc2]，由此可知，質子和中子組成核的過程中會出現質量虧損，必有能量放出，這個能量稱為原子核的結合能，反之，要使原子核再分解為單個的質子和中子，在這個過程中就會出現質量增加，就必須給予和結合能等值的能量。

原子核的結合能與核子數之比，稱作比結合能，也叫平均結合能。要從比結合能越大的原子核中分出一個核子需要的能量就越多，所以比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核就越穩定。

因為[ΔE=Δmc2]，所以比結合能就是[ΔEA=ΔmAc2]，[A]為原子核的質量數，也就是核子數，[ΔmA]就是核子結合成原子核的過程虧損的平均質量，所以比結合能越大的原子核，核子結合成原子核的過程中虧損的平均質量就越大，原子核中核子的平均質量就越小。不同原子核的比結合能是不一樣的，按照實際測量結果中等大小的核比結合能較大，平均每個核子的質量虧損較多，原子核中每個核子的平均質量就較小，核最穩定。

怎么才能讓原子核釋放核能呢？根據質量和能量關系，只要核反應過程出現質量虧損，就一定會釋放核能。較重的原子核比結合能較小，核子結合成原子核的過程虧損的平均質量就較小，原子核中核子的平均質量就較大。中等大小的原子核比結合能較大，核子結合成原子核的過程虧損的平均質量就較大，原子核中核子的平均質量就較小。如果使較重的核分裂成中等大小的核，核子將發生新的質量虧損，就會釋放核能。同理，較小的核比結合能較小，核子結合成原子核的過程虧損的平均質量就較小，原子核中核子的平均質量就較大。如果把較小的核合并成中等大小的核，核子也會發生新的質量虧損，也會釋放核能，所以釋放核能有兩種途徑，重核的裂變和輕核的聚變。

（責任編輯? ?易志毅）