对“结合能”的几点辨析

对“结合能”的几点辨析湖北省恩施高中陈恩谱结合能的概念，是《原子核》一章的一个教学难点，学生普遍错误的将“结合能”理解成原子核具有的能量——以为原子核的比结合能大，就是平均每个核子具有的能量越大；另一方面，在理解核能释放的过程时，无法从结合能的角度理清思路——他们不知道把自由核子作为分析问题的等效中间状态，因此必然无法将结合能与核能释放联系起来；而课本在介绍比结合能时，也没能够将核子平均质量曲线做一个介绍，从而对理解能力较差的学生提出了较高的要求，使他们始终不得其门而入。为了解决这些问题，笔者结合多年的教学探索，特在此对相关问题作一辨析，期与同行交流，望各位批评指正。一、结合能的概念1、结合能的定义结合角度定义：自由核子结合成原子核的过程中释放出来的能量，叫做该原子核的结合能。分解角度定义：将原子核分解成自由核子时所需要的最小的能量，叫做该原子核的结合能。由能量守恒可知，上述两个定义是一致的。注意，大于结合能的能量，当然可以将原子核分解成自由核子。2、类比化学键键能理解结合能一个化学键的键能，比如H-H共价键的键能，是指两个自由的氢原子形成H-H共价键时释放出来的能量，也就是将H-H共价键拆开时所需要的最小的能量。这和原子核的结合能概念是一样的，因此，我们可以将化学键键能称之为化学键的结合能，而原子核的结合能，也可以称之为核键键能。3、一个结论一个原子核的基础上，再结合一些核子，从而形成更大的原子核时，将进一步释放能量，因此，原子核越大，其结合能（也就是结合过程中释放出来能量）更越大。二、比结合能的概念1、定义：原子核的结合能与原子核内核子数的比值，叫做比结合能，也叫作平均结合能。通俗一点儿理解，就是在结合成原子核的过程中，平均每个核子释放出来的能量。2、比结合能曲线与平均核子质量曲线（1）比结合能曲线不同的原子核，其比结合能不一样。右图为不同原子核的比结合能随原子序数变化的大致曲线，其中，5626Fe原子核的比结合能最大。（2）平均核子质量曲线比结合能，就是平均每个核子释放出来的能量，释放出来的越多，平均每个核子剩下的能量就越少，由2Emc可知，平均每个核子的质量也就越小，如右图所示，其中，5626Fe原子核的平均核子质量最小。3、一个结论比结合能越大，意味着拆开每个核子所需要能量更多，拆开原子核更困难，因此，原子核的比结合能越大，原子核越稳定。由前述两个曲线可以看出，5626Fe原子核在所有原子核中是最稳定的。注意，并不是原子核的结合能越大越稳定，而是比结合能越大，原子核越稳定；原子核太大时，原子核的结合能尽管很大，但原子核却会变得很不稳定，很容易发生衰变。三、核能的释放1、从平均核子质量角度看核能释放释放能量，意味着释放质量，因此，释放能量的核反应，整个体系的质量会减小，即存在质量亏损，但是总的核子数并不变化（质量数守恒），EZ26mZ26mZ26ABCDEF●●●●●●因此，核反应的生成物的平均核子质量必定比反应物的平均核子质量小*。如右图所示，当较轻的原子核A和B聚变成较重的原子核C时，或者较重的原子核D裂变成几个中等质量的原子核E和F时，平均核子质量减小，因此这是一个存在着质量亏损的反应，也就是这是一个释放核能的反应。2、从比结合能角度看核能释放如右图所示，较轻的原子核A和B聚变成较重的原子核C，可以等效的看做先将原子核A和B全部拆开成自由核子，此时需吸收能量1AABBENENE；然后将这些自由核子合成为原子核C，这个过程要释放能量2()CCABCENENNE；而CAEE且CBEE，因此有21EE，即这个核反应吸收的能量小于释放的能量，因此是一个释放核能的反应。较重的原子核D裂变成几个中等质量的原子核E和F时，也是如此分析。3、类比化学反应理解核能释放氢气和氯气在光照条件下化合生成氯化氢的反应是一个放热反应：22H+Cl2HCl，0H这个放热反应的过程是这样的：在光照条件下，氢气分子、氯气分子吸收能量从而拆解成自由氢原子和自由氯原子，这个过程吸收的能量就等于H-H共价键键能和Cl-Cl共价键键能之和：ClClHH1EEE；这些自由的氢原子、氯原子再合成为2个HCl分子，释放出能量等于2倍的H-Cl共价键键能：ClH22EE；由于12EE，所以这是一个释放能量的反应：21()0HEE。核反应释放核能的过程与此类似。顺便说明一下：化学反应中既然存在能量的吸收或者释放，因此也就存在质量亏损，也就说反应物和生成物的质量不相等；不过，因为化学反应中吸收或释放的能量实在太少（远少于核反应），除以光速的平方22162s/m109c之后得到的质量亏损实在太小，几乎无法用实验检测到，因此可以忽略不计。*说明：这个对“质量亏损”的解释是简化了的粗糙解释，核反应前后往往还存在电子等质量数为0的粒子，计算质量亏损时必须将电子等粒子质量作为反应物或者生成物的质量纳入计算。说明：本文收录于陈恩谱老师《物理原来可以这样学》2019年6月第三次修订版。ABCDEFEZ26●●●●●●＋2211H+H42He吸收E1释放E2释放E2－E1