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根据爱因斯坦在狭义相对论中得出的质量-能量方程 E=mc<sup>2</sup>
,只要系统的能量发生变化,系统的质量就发生变化,即使系统跟外界没有原子、中子、质子、电子这些粒子交换。

宏观的例子。铁块从阳光射不到的地方,移到阳光下,温度上升。这个铁块的质量也增加。遮住阳光,铁块温度下降,这个铁块的质量也减少。不过这里质量的变化相对原有的变化极其微小,用天平这样的仪器是测量不出来的,所以谈论不涉及核反应的宏观物体的能量变化时,不提质量变化。不提质量变化并不是说质量无变化。

微观的例子。一个自由电子跟一个质子结合,构成一个氢原子,这个过程中会释放光子。自由电子和自由质子的总能量,大于氢原子(比如处于基态)的能量。相应地,自由电子和自由质子的总质量,大于氢原子的总质量。这个例子中,质量的变化相对于原有的质量,极其微小,所以化学上不提质量的变化。

又一个微观的例子。一个自由质子和一个自由中子,构成一个氘核,这个过程会释放光子(光子能量比上面的例子多百万倍)。自由质子和中子的总质量,大于氘核的总质量。质量差额相对原有的质量,比例仍不大,但比较可观了。所以涉及核反应的过程,会谈论系统质量的增大、减小。比如太阳内部发生的氢聚变为氘、氘聚变为氦的核反应,向外发出电磁波和中微子,每秒钟质量减少400万吨。

核反应前后,系统的质量可能增大,也可能减小。人工核反应,系统质量都是减小。核反应中质量的减小也称为“质量亏损”。

系统的质量亏损,必然伴随外界的质量增加。整个宇宙,质量总是守恒的,如同能量守恒。


原子核结合能与质量亏损

原子核结合能,质量亏损,这两个术语对应的物理内容不完全重叠。结合能术语用得更多一些。静质量增加的核反应,不使用质量亏损概念。质量减少的核反应,可以用结合能的变化计算能量输出,也可以用质量亏损计算能量输出。

计算核反应释放的能量

* 由相关原子核的结合能,可以直接得知或计算核反应释放的能量。
* 由相关原子核的比结合能和核子数,可以计算核反应释放的能量。
* 由质量亏损,可以计算核反应释放的能量。

质量亏损的直观解释

自由电子跟质子结合为氢原子的过程,电子电场和质子电场都发生了变化。电子的质量很大部分是它的电场的质量,质子也是这样。这样就可以理解氢原子的质量比组成它的自由粒子的总质量要小一些。

自由核子结合为原子核,原子核的质量小于自由核子的质量之和。原子核中的核子,比自由核子缺了“一角”吗?核子是由夸克和胶子组成的,自由核子结合为原子核的过程中,核力势能降低的过程中,会释放“胶子”,核子“瘦身”了,这样就导致系统静止质量的减少。