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1 # 艾伯史密斯
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2 # 星辰大海路上的種花家
炸藥爆炸時,質量會發生變化嗎?也就是爆炸前後炸藥的質量守恆嗎?
我們常說的炸藥大都指TNT,爆炸極其劇烈,但其威力再大仍然屬於化學反應!初中化學告訴我們,化學反應前後質量守恆,從這個意義上來理解是沒有問題的!因為在俄國科學家羅蒙索諾夫在1756年就發現了,而且拉瓦錫透過大量定量實驗,發現在化學反應過程中,參與反應的各物質總量等於反應生成後的物質總量!
這就是著名的質量守恆定律,當然這個理解在宏觀意義上是沒有問題的,事實上儘管化學變化中質子與中子以及核外電子的數量並沒有發生變化,但核外電子的位置發生了變化,從理論上來看這會產生質量變化,當然在中學化學中我們還知道了另一個概念!
當然這道選擇題大家應該都會做,但這問題可能依然縈繞在各位的腦門上,為什麼數量與種類都沒有變化,怎麼就發生質量變化了呢?
一、裂變和聚變的質量變化來自哪裡?
為什麼化學變化中扯上核能?因為化學變化中的質能變化與原子核中能量釋放的質能變化有區別,因此我們必須區別開來解釋!
獨立質子和中子的質量總是大於它們組成的原子核的的總質量,比如:
質子的靜止質量為:1.007276u
中子的靜止質量為:1.008665u
兩者組成的氘元素質量為:2.013553u
兩者質量差異為:0.002388u,對應的能量釋放為:3.564×1 0^-13J
看起來不大是吧,但這是一顆中子和一顆質子結合時所釋放的能量!假如一克質量的質子與中子結合,將會有多大?即使不用計算,目測也知道是個天文數字了!
為什麼兩者結合數量沒有變化,但質量變化了?
我們都知道輕夸克質量幾乎可以忽略,但由輕夸克組成的質子和中子質量卻很大,當然這中間的質量貢獻者是夸克間的超強相互作用,當中子與質子或者質子與質子結合時,相互作用力相應減小,因此組成的原子核總質量就下降了!
二、化學變化中的質量虧損又來自哪裡呢?
畢竟化學變化並不會涉及到原子核級別,最多就是參與的外層電子發生了變化,這也有質量虧損?而事實上確實有,主要來自於儲存在物質化學鍵中的能量!與核聚變中輕夸克之間的強作用力儲存了質量一樣(外在表現以質量的形式展現),它的變化產生了巨大的能量!而化學鍵則在化學反應中已經儲存了能量,這個能量來自於物質的化學屬性!
因此當發生化學反應時,原本結合在化學鍵中的能量得到了釋放,而這些能量的釋放則伴隨著質量的減少,跟質子和中子內部的輕夸克強作用力減小有著異曲同工之妙!
最後來簡單算個1噸TNT爆炸時的質量虧損大概有多少?
1噸標準TNT的能量為:4184000000J
那麼根據E=MC^2,則M=E/C^2=0.04655毫克
一噸TNT爆炸後質量減少了0.04655毫克的質量,儘管這是一個可計算值,但事實上難以找到一臺合適的計量工具稱出這個質量差異!因此當年拉瓦錫透過實驗證明化學反應前後質量守恆以後,再無科學家找出箇中的問題!因為虧損的質量實在是太小了!
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3 # 鍾銘聊科學
這其實是一個很有趣的問題。實際上,無論什麼反應,反應前後的質量是守恆,能量也是守恆,因為質量守恆,能量也守恆,所以,質能也一定守恆,這裡要注意一下,並不是因為質能可以轉化才質能守恆,而是因為質能等價才實現的質能守恆。這有什麼區別呢?我們其實可以從一般的反應說起。
反應前後我們一般會把質能方程,也就是愛因斯坦的那個著名的公式E=mc^2用到核物理當中,尤其是氫彈或者原子彈爆炸。然後,就有人會這麼科普,反應前後質量發生了虧損,質量轉化為能量。這樣的解釋是正確的麼?答案是,不對!
為什麼呢?其實也很簡單,對於質量的理解不太對。我們試想一下,所謂的“質量虧損”,指的是什麼?其實是反應完了之後的生成物比反應之前減少了。但是,我們常常忽略一點,那就是反應物當中其實也包括能量,也就是那些衝擊波和蘑菇雲,以及大量的熱。
如果,我們有個封閉的系統,這個系統不會和外界產生任何的能量交換,換句話說,就是光和熱都不會散去。然後,我們在這個封閉的系統當中引爆一顆氫彈。那它的前後質量會不會發生改變呢?答案是不會!
這回明白了麼?實際上,氫彈爆炸散去的能量也有質量,只是因為它們因光和熱的形式離開了,所以,我們沒有測量到,於是就有人認為是所謂的“質量轉化為能量”。實際上,這是誤解了愛因斯坦的意思。1905年,在愛因斯坦釋出的那篇論文當中,就成這樣描述:
若一個物體以輻射形式發射能量L,它的質量減少L/c^2。所以,愛因斯坦的意思是,質量裡有能量,能量裡有質量,質量和能量是一回事,而不是轉化關係,這也是為什麼這個理論也叫做質能等價的原因。
所以,從這裡,我們要搞清楚一點,任何反應的前後,質量都是守恆的,能量都是守恆的,所以質能才是守恆的。所以,炸彈爆炸時,也是符合質量守恆的。只是那些光和熱你測不到而已,但並不是說它們不具有質量。
質能等價能量裡有質量的例子其實非常非常多,甚至,我們自身都能體現這個特點。一個人的質量是從哪裡來的呢?實際上,我們可以拆解這個問題,我們都是由原子構成的,因此我們的質量其實可以看成是構成的原子的質量的總和以及原子之間化學鍵所產生的能量對應的質量。發現沒有?這個時候,就已經出現了“能量裡有質量的形式”。
不過,實際上,原子也還是可以繼續拆分下去,原子是有原子核和電子構成的。而原子核又是由質子和中子構成。再進一步,質子和中子其實是由夸克構成的。
那我們的質量應該如何去算呢?實際上,如果滿打滿算,大概是這樣的,化學鍵,不可再分的基本粒子(電子,夸克)的質量,束縛夸克在質子和中子內的膠子所提供的強相互作用的能量對應的質量,這裡又出現了“能量裡有質量”。下圖中,u和d其實就是夸克,而連線它們之間的就是膠子,由於膠子提供的強相互作用,才使得夸克可以形成質子和中子。
而基本粒子的質量,其實依靠的是場。也就是說,根據粒子物理標準模型,宇宙空間中佈滿了希格斯場,夸克、電子會和希格斯場作用然後被減速獲得質量。
那最後,一個人的質量到底是咋構成的呢,這麼說吧,化學鍵+粒子的質量≤1%,而剩餘99%的能量來自於強相互作用的能量對應的質量。
所以,你站在秤上看到的示數,你以為是實實在在的物質的靜止質量,實際上,如果細細分解,就會發現大部分的質量是大多人人以為的“能量”裡所對應的質量。
而在近代物理學當中,科學家在使用粒子加速器進行實驗時,其實會有個前提假設的,就是基於狹義相對論質能等價這部分的內容與量子力學進行結合,提出量子場論。然後,對於粒子參量的描述,基本上都是xxxMeV,這裡的MeV其實就是能量單位,他們是經過質能等價E=mc^2,把質量也一同換算成了能量來做實驗的,所以同時,科學家也用MeV/c^2來表示質量。
因此,愛因斯坦其實統一了能量和質量,揭示了它們是同一個東西。
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4 # 熵增的天敵
根據相對論和洛侖茲變換謬論,炸藥爆炸前處於靜止狀態,爆炸後彈藥碎片亂飛是快速運動狀態,謬論說速度越快質量越大,於是爆炸後質量無中生有,同時也刺穿了他們的盾——質能守恆
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答:一般的炸彈爆炸,發生的是化學反應,一般情況下我們認為質量是守恆的;但是嚴格意義上說,爆炸釋放的能量來自於原子間的化學能,化學能釋放的本質也是質量虧損。
在化學反應中,我們認為質量是守恆的,這個理解在絕大部分場合中沒有明顯錯誤。
但是從能量的本質上來看,化學能儲存於化學鍵中,化學鍵的本質也是質能轉化的結果,只是化學反應中能量變化太小,所以質量虧損非常小,甚至完全可以忽略掉。
比如:氫氣在氧氣中燃燒,1kg的氫氣會釋放7.2*10^4KJ的能量,對應的質量虧損只有約8*10^-8kg,這樣的相對質量虧損,很難有儀器能測量出來。
所以,我們在談論化學反應時,一般近似認為質量是守恆的;只有在核反應中,質量虧損才明顯,這也決定了核反應釋放的能量是巨大的,比如原子彈、氫彈、核電池。
至於虧損的質量,其實就是原子整體的質量變化。
在化學反應中,反應前後的質子數、中子數和電子數並沒有發生改變,但是氫原子和氧原子的絕對質量,是有微小區別的,區別在於不同化學鍵儲存的能量不一樣,於是原子整體的質量也就不一樣。