质能方程的提出

来源：中核集团

核宝：“人们发现放射性和各种放射线后，也注意到核反应会放出能量，但当时还无法确定能量有多少。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在狭义相对论的基础上提出了质能转换理论，就是著名的公式‘E=mc²’，其中E代表能量，m代表质量，c代表光速（3×10⁸米/秒），这个公式揭示了质量与能量之间的转换关系，因此也被称为质能方程。”

“接下来，就让我们看看Q奇在爱因斯坦那学习请教的故事吧！”

Q奇：“爱因斯坦教授您好，我是Q奇。听说您最近提出了对核物理学界充满启发的质能方程，所以我特来向您请教了！”

没问题。相信你也听说了，这个公式揭示了质量与能量的关系，不过它们只是我所有研究中一小部分，我主要研究的方向还在于狭义相对论和光电效应。没想到最近新兴的核物理领域也应用到了这些理论，科学真是充满无限的探索可能性呢。

说回质能方程E=mc²吧，这个等式中的E代表物质的能量，m代表物质的质量，c代表光速（3×10⁸米/秒），光的速度是不会变化的，所以这里的光速也就是一个不会变化的常数。通俗一点来说，这意味着物质的质量和能量其实是同一种物质性质的不同表现。

Q奇：同一种物质的不同表现？是不是就好比说，圆柱体从上面看是圆形，从侧面看是四边形？

你这个比喻很有趣。但如果要由此深挖，就不得不说到一个神奇的现象了。

目前，科学家们已经认识到原子核是由中子与质子组成的，那么理论上来说，一个原子核的质量应该等于组成它的粒子的质量之和。但奇怪的是，当科学家们将这些粒子质量相加后，粒子的总质量比居然比它们所组成的原子质量更大。这种粒子结合成原子后质量减少的现象被称为“质量亏损”。

氦-4的质量亏损示意图

Q奇：我知道了！因为质量在这个过程中转化为了能量，从而看似“藏”起来了，对吗？

看一看这张图片你就会明白了。当这些粒子组成原子核时，它们需要被能量束缚在一起，而那些“减少的”质量正是变成了束缚住它们的能量。这种束缚住原子核内微粒的能量就是核结合能，也可称为原子能或核能。

原子核的质量+结合能=分散的中子与质子质量

正因为粒子需要能量才能“束缚”组成原子核，所以当粒子从原子核分开时，这些被转化成能量的质量也要以能量的形式释放出来。这解释了为什么有的原子核或放射性元素会释放出放射线。

Q奇：小小的原子核里居然藏着这么神奇的能量！我好像能预见核能巨大的发展潜力了！

小百科——核结合能与电子结合能

原子内不光有原子核，还有核外电子。

以下图中α粒子（氢原子核）中的结合能与氢原子中电子结合能的做比较为例，可以发现核结合能大约是电子结合能的一百万倍！这足以证明核结合能具有巨大的能量，且比其他粒子结合的能量多得多。