9质能方程发现的意义

9、质能方程的发现意义1756年俄国化学家罗蒙诺索夫把锡放在密闭的容器里燃烧成氧化锡。容器里的物质的总质量在燃烧前后并没有发生变化。经过反复的实验验证，他得出結論：在化学变化中物质的质量是守恒的。稍后，法国的拉瓦锡于1777年做了同样的实验，结果一样，物质守恒定律于是获得公认。20世紀初，德国化学家朗道耳特(Landolt)于1908年，英国化学家曼莱(Manley)于1912年，分别做了极高精度的实验，证明了化学反应前后物质总质量的变化小于一千万分之一。物质守恒定律于是被实验确立。1907年4月,A.Einstein写下了关于狭义相对论和质能关系的论文:关于相对性原理所要求的能量惯性问题和关于相对性原理由此得出的结论,进一步揭示了“同惯性有关的质量m相当于其量的m2c”,“对于孤立的物理体系,质量守恒定律只有在其能量保持不变的情况下是正确的…”。在历史上两条相互独立的自然规律:能量守恒和质量守恒,由相对论统一起来了。相对论诞生是物理学上的革命性的进步,其导出的质能关系是现代核能理论的基础,同时它蕴涵的哲学思想改变了人们对时空观的认识。中国科学院院士何祚庥说：“狭义相对论深化了牛顿所奠定的牛顿力学，深化了牛顿所提出的时空观，从而影响到当代物理学的各个领域。人们公允地认为这是物理学领域里的大突破，亦即由宏观低速运动领域进入到宏观高速领域的突破。这一突破的重要后果之一，是Einstein首先发现了质量能量等价的公式E＝mc2，并为人类利用原子能指出了方向。”Einstein认为只要用E=mc2公式就可以算出质量或能量的变化，烟感器就是根据这个公式设计出来的。镅241是一种带有放射性的金属，在每一个烟感器中，都有非常微量的镅241。镅241释放出带电的微小粒子束，任何烟雾一旦出现，就会改变微小粒子带电的状态，引发能量变化，启动报警器。1938年，美国核物理学家贝特发表了有关氢通过碳——氮——氧循环而聚变的论文。这篇论文给加州理工学院凯洛格实验室的核物理学家以极大的刺激，因为他们一直在从事这一课题的研究。年轻的福勒从1933年起就在这里研究碳——氮——氧循环中的第一个反应，进行碳核捕获一个氢核形成氮同位素核氮7的实验，还测量了碳核和氮核受质子轰击的作用截面。他们的实验研究定量地给出核反应中释放的能量，提供了检验碳——氮——氧循环可行性的实验依据。在碳——氮——氧循环中首先由碳核和一个质子碰撞，质子打入碳核使之变为氮的同位素N(7,13),它是放射性的，很快放出正电子和中微子形成碳的同位素C(6,13),它和质子反应生成氮核。新的氮核和质子相碰撞形成氧同位素O(8,15),O(8,15)也是放射性的，它放出一个正电子和一个中微子后衰变成氮的同位素N(7,15);最后，N(7,15)和一个质子碰撞形成碳核和氦核。这一系列的反应都是放热反应，因此，只要有足够多的质子，就可以成为稳定的能源。碳——氮——氧循环的结果是4个质子合成一个氦核，同时产生2个正电子、2个中微子和3个光子，释放出25.03兆电子伏特的能量。参与反应的碳元素在核反应前后没有发生任何变化，而氮、氧同位素只是在中间过程中产生又消失。他们认为，只有在1500万开以上的高温条件下，碳——氮——氧循环核反应才能有效地进行。因此，只有在比太阳质量大很多的恒星上，这种核反应才成为提供能源的主要途径，实现由氢到氦的聚变。以牛顿第二定律所表现出的质量称为惯性质量。定义是给概念规定界限的判断，而定律是几个概念之间彼此的本质联系，它所反映的是客观规律．牛顿第二定律正是这样的客观规律，它所反映的是力、质量和加速度这三者之间的本质联系。实际上，人们所以能总结出牛顿第二定律，就是因为人们预先就对力、质量和加速度这三个物理量的概念和测量方法已经有所掌握，然后才能通过实验找出它们之间的内在联系．也就是说，质量的概念及测量方法并非来源于第二定律，而是先于这个定律．第二定律建立过程的历史事实正是如此，早在牛顿第二定律建立之前，人们（包括牛顿）已经用“物质之量”给质量下了定义，并已凭经验知道了通过比较重量来量度质量的方法。牛顿在其著作中说：“物质的量是质的量度，可由其密度与体积求出。”然而，质量没有定义之前又那来的密度？显然，牛顿这个定义等于没有说。“物质的量”往往是指物质多少或物质数量一类的东西，由相对性原理的制约，物质多少这样一个概念本身无法再进一步给以定义，物质的概念被认为是不说自明的。正是这个原因，在牛顿力学中寻找不到“物质的量”与惯性质量之间的任何联系，使得“物体所含物质越多，物体惯性越大”这条经验定律一直游离于物理学之外。也正是这个原因，物理学上的质量除了牛顿定律所赋予它的意义外不再有别的意思，质量乃是阻挠速度变化的量度。这又要回到用定律来定义质量上来，让人很不满意。要使牛顿质量定义（物质的量）具有生命力，必须要用到爱因斯坦的重要发现——静质能方程（E0=m0c2）。当它作为一个公设引入后，我们就能够进一步给予“物质的量”以明确定义，即“物质的量”可以用能量的多少来度量，从而建立起牛顿惯性质量与“物质的量”的联系。