對“結(jié)合能、比結(jié)合能、質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損”的正確認識

顧紅潔　王益華

【摘 要】原子核物理中的四個基本概念：“結(jié)合能、比結(jié)合能、質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損”，大綱安排的課時少，教學(xué)效果不理想。如何在有限時間內(nèi)高效率完成教學(xué)任務(wù)呢？我在教學(xué)中做了一些嘗試，愿與同仁共勉。

【關(guān)鍵詞】結(jié)合能；比結(jié)合能；質(zhì)能方程；質(zhì)量虧損；認識

“結(jié)合能、比結(jié)合能、質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損”這四個概念是人教版3-5教材中原子核物理部分的教學(xué)內(nèi)容。要在規(guī)定的一課時內(nèi)完成此教學(xué)任務(wù)，實屬不易。筆者對比問題提出了三點建議，供讀者參考。

1.“結(jié)合能”與“比結(jié)合能”

1.1結(jié)合能（核結(jié)合能）

“原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能（binding energy）”——摘自人教版高中物理選修3-5教科書。

教師要給學(xué)生明確結(jié)合能的定義：將若干個核子結(jié)合成原子核放出的能量或?qū)⒃雍说暮俗尤糠稚㈤_來所需的能量，它是原子核的重要性質(zhì)之一。重點突出“放出”和“所需”二詞，由此看出：結(jié)合能是伴隨著原子核的結(jié)合或拆分過程才出現(xiàn)的，并不是原子核所擁有的能量。過程中所放出的核能E不能稱為氡核的結(jié)合能，解釋如下：①氡核拆分成彼此獨立的核子吸收能量E1，這是氡核的所有核子的結(jié)合能；②氡的所有核子分開后，再由 84個質(zhì)子和134個中子重新結(jié)合成釙核放出能量E2，這是釙核所有核子的結(jié)合能；③2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成氦核放出能量E3，這是氦核所有核子的結(jié)合能，而核反應(yīng)過程的總能量關(guān)系為：E=E1-E2-E3，顯然是核反應(yīng)過程中吸收和放出的總能量差。

1.2比結(jié)合能

“組成原子核的核子越多，它的結(jié)合能就越高。因此，有意義的是它的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能（specific binding energy），也叫平均結(jié)合能。比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。”——摘自人教版高中物理選修3-5教科書。

為什么在“結(jié)合能”的基礎(chǔ)之上還要引入“比結(jié)合能”這一概念，對此教材沒有解釋，這恰是學(xué)生不能接受的。教學(xué)中我們不妨用經(jīng)濟學(xué)概念“GDP”與“人均GDP”的關(guān)系作類比。我們國家是經(jīng)濟大國，2014年中國GDP總量達10.4萬億美元，列全球第二。但不是經(jīng)濟強國，2014年中國人均GDP只有6747美元，僅列全球第84。據(jù)此，“結(jié)合能”與“比結(jié)合能”的關(guān)系不言自明，而且印象深刻。學(xué)生接受“比結(jié)合能是原子核穩(wěn)定程度的量度，比結(jié)合能越大，核越穩(wěn)定?！弊匀凰角?。

2.“質(zhì)能方程”

“相對論另一個重要結(jié)論就是大家很熟悉的愛因斯坦質(zhì)能方程“E=mc2，式中m是物體的質(zhì)量，E是它具有的能量?！薄匀私贪娓咧形锢磉x修3-4教科書。別無介紹，可謂“點到即止”。

鑒于此，不妨做這樣的簡單描述：從方程可看出能量與質(zhì)量之間只是相差一個系數(shù)，兩者都反映物體的屬性，彼此間不存在轉(zhuǎn)換關(guān)系。裂變與聚變反應(yīng)中出現(xiàn)的質(zhì)量虧損，可以用來計算放出核能的大小，放出的能量和虧損的靜質(zhì)量對應(yīng)的，虧損的質(zhì)量并沒有消失，只是以場的形式存在著。核反應(yīng)前后的總質(zhì)量還是守恒的。對待這一內(nèi)容更需要我們教師的合理定位：重在應(yīng)用，而不在其理。這一內(nèi)容已超出正常中學(xué)生的認知水平，也不同于先前所學(xué)牛頓力學(xué)體系內(nèi)容。教師一味地做過多介紹，可能會適得其反。

3.“質(zhì)量數(shù)守恒”與“質(zhì)量虧損”

3.1質(zhì)量數(shù)守恒

由于原子的實際質(zhì)量很小，如：一個氫原子的實際質(zhì)量為1.674x10-27千克。若直接用它的實際質(zhì)量來計算很不方便。因此國際上規(guī)定用相對原子質(zhì)量表示原子之間的質(zhì)量關(guān)系。某元素的相對原子質(zhì)量是其各種同位素相對原子質(zhì)量的加權(quán)平均值。而任何一種原子的相對原子質(zhì)量（Ar）都是其質(zhì)量與一個C12原子質(zhì)量的1/12的比值，稱為該原子的相對原子質(zhì)量。如：氫原子的相對原子質(zhì)量為1.008。質(zhì)量數(shù)是原子核內(nèi)所有質(zhì)子和中子的相對質(zhì)量取近似整數(shù)值相加而得到的數(shù)值，而一個質(zhì)子或一個中子的質(zhì)量數(shù)都非常接近整數(shù)1，所以任何原子核中的質(zhì)量數(shù)（A）=質(zhì)子數(shù)（Z）+中子數(shù)（N），它一定是整數(shù)。質(zhì)量數(shù)只能近似表示原子的質(zhì)量相對大小。質(zhì)量數(shù)守恒是核反應(yīng)中的一個守恒定律，表明核反應(yīng)過程中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)在反應(yīng)過程中保持不變，是配平核反應(yīng)方程的一個重要依據(jù)。

3.2質(zhì)量虧損

“質(zhì)量虧損”是指原子核的質(zhì)量總是比組成原子核的單個核子的總質(zhì)量小，這是因為當(dāng)質(zhì)子和中子組成原子核時必須放出核能。根據(jù)相對論理論，一定的質(zhì)量是與一定的能量相聯(lián)系的。釋放出結(jié)合能后，原子核的質(zhì)量小于所有核子的總質(zhì)量。

核物理中，我們講的更多的是三個守恒，即：①電荷，②質(zhì)量數(shù)（核子數(shù)），③總質(zhì)量和聯(lián)系的總能量（包括靜止質(zhì)量和聯(lián)系的靜止能量）。正確理解了上述內(nèi)容，會發(fā)現(xiàn)將“質(zhì)量數(shù)守恒”與“質(zhì)量虧損”作誰是誰非的比較毫無科學(xué)意義。

教學(xué)中教師要突出對物理基本概念、規(guī)律的講解，經(jīng)常要具體到其中的每個字、詞，絕不能含糊其辭。也應(yīng)分析學(xué)情：學(xué)生有哪些學(xué)前概念，容易在哪里理解出錯，可能與哪些概念混淆等。教學(xué)過程中主動出擊，一步到位，不留隱患。畢竟學(xué)習(xí)物理的關(guān)鍵重在理解與應(yīng)用，靠照搬硬套，死記硬背是領(lǐng)略不到物理的奧妙的。

【參考文獻】

[1]陸光華.走出“結(jié)合能、比結(jié)合能”認識的誤區(qū)[J].物理教師，2014（11）

【作者單位】

顧紅潔（1978.12-）女，籍貫：蘇州太倉。畢業(yè)學(xué)校，蘇州大學(xué)；學(xué)歷：本科；現(xiàn)職稱：中學(xué)一級教師。

（作者單位：1.蘇州市振華中學(xué)校；2.蘇州市第三中學(xué)校）