质量亏损和质量守恒

    初中化学介绍了原子的组成。在高中化学教学中很容易使学生联想到，既然原子是由质子、中子（统称核子）和电子构成的，那么原子的质量（用原子质量单位表示）就应该等于构成原子的质子、中子和电子质量之和。但计算结果并不等于实验测定结果，而且除氕(11H)以外，这是一个普遍存在的现象。这是否与质量守恒相矛盾呢？其实并不矛盾。然而，对于这种现象的解释如果仅仅停留在化学上有些违背数学基本原理的泛泛说明，显然不能令人满意。因为在孤立体系的任何反应过程中，都是严格遵守质量守恒的。这条规律就是在核反应中，亦然成立。下面以教材是提及的两种同位素原子为例进行具体分析。
　　
　　因为质子质量为1.00728u,中子质量为1.00866u,电子质量为5.48582×10-4u。由于氢的同位素之一氕(11H)恰好是一个质子和一个电子的亲合体,其质量为1.00782u,故同位素的原子量M可表示为:
　　
　　M=[1.00782×(质子数Z)+1.00866×(中子数N)]u
　　
　　因为质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N)
　　
　　则:N=A-Z
　　
　　代入上式得:
　　
　　M=[1.00782Z+1.00866(A-Z)]u-------------------①
　　
　　①式即为计算同位素原子量的通式。
　　
　　对于Cl来说,A=35,Z=17代入①式求得的原子量为:
　　
　　M=[1.00782×17+1.00866(35-17)]u-=35.28882u
　　
　　同理可以计算出原子量M为37.30614u。
　　
　　将计算结果与实验结果列于下表:
　　
　　在原子核物理学或核化学中，把这种计算与实验结果之偏差称为“质量亏损”，更严格他说应该是静止质量亏输。我们知道，质量是物质的基本属性之一。在狭义相对论的范畴之内，质量和能量之间有下述关系:
　　
　　E=mc2------------②
　　
　　其中m为质量，c为光速，E为能量。
　　
　　②式表明了体系质量和能量之间的对应关系。根据这种对应关系，可以预测，原子体系中出现的静止质量亏损现象，必然有能量变化伴随。假设静止质量亏损为DM，与此对应的能量为DE,则②式转化为:
　　
　　DE=DMc2-------------------------③
　　
　　③式表示了体系的质量的变化和能量的变化相关联。体系有质量的变化，就一定有能量的变化，反之亦然。同时表明，质量和能量这两个物质的基本属性是密切相联系的，只有质量而没有能量或只有能量而没有质量的物质是不存在的。这种质量亏损正是在质子和中子结合形成核的过程中以能量形式释放出来。实验测得核子结合能为297.96MeV(百万电子伏特),核子结合能为315.67MeV。一个原子质量单位相当于931.48MeV。由③式可以计算出质量亏损值DM:
　　
　　将实验值与亏损值相加得:
　　
　　M=34.96885u+0.31988u=35.28873u
　　
　　M=36.96590u+0.33889u=37.30479u
　　
　　与按①式计算的结果进行比较二者十分接近，几乎相等，其微小的偏差完全在许可误差范围之内。同时也足以说明，虽然表面上似乎存在质量亏损，但是作为物质的另一基本属性——能量却给物质质量这一基本属性提供了等值的补充，按①式计算结果大于实验测定结果，这是尚未考虑体系能量变化而得到的结论。如果质量——能量两者同时考虑，依然严格遵守质量守恒，上述分析已经证明了这一点。所以说原子质量小于构成原子的质子、中子和电子质量之和并不违背质量守恒。
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