走出“結(jié)合能、比結(jié)合能”認(rèn)識(shí)的誤區(qū)

陸光華

（江蘇省興化中學(xué)，江蘇 興化 225700）

“結(jié)合能、比結(jié)合能”是高中物理的一個(gè)難點(diǎn).在教學(xué)實(shí)踐中筆者注意到，學(xué)生在學(xué)習(xí)完本節(jié)內(nèi)容后往往對(duì)本節(jié)內(nèi)容存在種種認(rèn)識(shí)誤區(qū)，本文列舉了一些常見(jiàn)的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，并對(duì)其進(jìn)行分析、講解.

誤區(qū)1：結(jié)合能是由于核子結(jié)合成原子核而具有的能量.

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

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

誤區(qū)2：所有核反應(yīng)都釋放能量，所釋放的能量就是結(jié)合能.

（1）并非所有的核反應(yīng)都是放能反應(yīng)，例如，我們把原子核拆成單獨(dú)核子就需要吸收能量，只不過(guò)我們?cè)趯W(xué)習(xí)中接觸的釋放能量的核反應(yīng)比較多而已.

誤區(qū)3：核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒，因此核反應(yīng)中不應(yīng)有質(zhì)量虧損.

質(zhì)量數(shù)是將原子核內(nèi)所有質(zhì)子和中子的相對(duì)質(zhì)量取近似整數(shù)值相加而得到的數(shù)值.由于一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子相對(duì)質(zhì)量取近似整數(shù)值時(shí)均為1，所以質(zhì)量數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù).

圖1

因此在核反應(yīng)中盡管核子的數(shù)目不變（質(zhì)量數(shù)守恒），但是核內(nèi)每個(gè)核子仿佛“瘦了”一些，出現(xiàn)了質(zhì)量虧損，使得組成原子核后總質(zhì)量變小.

誤區(qū)4：核反應(yīng)前后質(zhì)量出現(xiàn)虧損，因此反應(yīng)前后質(zhì)量不守恒.

誤區(qū)5：由ΔE＝Δmc2，核反應(yīng)中物體質(zhì)量虧損轉(zhuǎn)化為能量釋放出來(lái).

質(zhì)能方程E＝mc2，是愛(ài)因斯坦從其相對(duì)論中得出的結(jié)論，它能反映物體的質(zhì)量和該物體所具有的能量之間存在著簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，且其比例系數(shù)為真空中光速的平方.

我們既不能認(rèn)為質(zhì)量就是能量，因?yàn)橘|(zhì)量和能量是兩個(gè)不同的物理量；也不能理解為質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量，不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，質(zhì)量又怎么能轉(zhuǎn)化成能量呢？打個(gè)比方，我們到操場(chǎng)上跑步，在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中出了一身汗，人的質(zhì)量變小了，但我們不能說(shuō)，人的質(zhì)量變小轉(zhuǎn)為能量.能量來(lái)源于我們自身的化學(xué)能，我們跑步時(shí)間長(zhǎng)了，肚子餓了，要吃東西補(bǔ)充能量.

所以說(shuō)，質(zhì)量和能量是兩個(gè)不同性質(zhì)的物理量，釋放出來(lái)的核能不是物體的質(zhì)量轉(zhuǎn)化來(lái)的，是物體自身所蘊(yùn)藏的能量釋放出來(lái)，本質(zhì)上還是能與能的轉(zhuǎn)化.

另外需要提醒的是，不少資料上“1u＝931.5MeV”的寫(xiě)法是錯(cuò)誤的，因?yàn)橘|(zhì)量和能量是兩個(gè)不同的物理量，可以寫(xiě)成“1uc2＝931.5MeV”.

誤區(qū)6：Fe的比結(jié)合能最大，意味著它最穩(wěn)定，那為什么鐵容易氧化？

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

圖2

誤區(qū)7：同種核子的質(zhì)量都完全一樣.

在誤區(qū)2的分析中我們意識(shí)到，單獨(dú)核子比原子核中同種核子的質(zhì)量大.事實(shí)上不僅如此，不同原子核中同種核子的質(zhì)量也有微小差別.

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

1 物理教材編寫(xiě)組：普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū) 物理 選修3-5［M］.北京：教育科學(xué)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(kāi)發(fā)中心：普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū) 物理 選修3-5教師教學(xué)用書(shū)［M］.北京：人民教育出版社，2005.