質量虧損

所謂質量虧損，就是反應前後體系粒子質量的變化。譬如在核反應中，就是指原子核的質量與組成原子核的所有單個質子與單個中子的質量之和的差（原子核的質量小於組成原子核的所有單個質子與單個中子的質量總和，虧損的質量對應結合能，虧損越大結合能越大）。

質量虧損主要是由反應前後體系能量變化而導致的。根據愛因斯坦質能方程E=mc²，一定的質量m對應一定的能量E，二者的定量關係由比例係數“光速的平方”c²聯繫起來。由於重核裂變與輕核聚變都屬於放能核反應，根據質能方程的涵義，反應後粒子的靜質量要減少，即反應後質量要有所虧損，而質量虧損就意味著能量的虧損，虧損的能量就是原子能。

基本介紹

• 中文名：質量虧損
• 外文名：mass defection
• 表達式：ΔE=Δmc^2
• 提出者：愛因斯坦
• 適用領域範圍：物理學、化學等一切自然科學
• 理論依據：質能方程 E=mc^2

質量虧損理解

（1）在核反應中遵循能量守恆和質量守恆，所謂的質量虧損並不是這部分質量消失或者質量轉變為能量。

（2）質量虧損不是核子個數的減少，核反應中核子個數是不變的。

質量虧損原因

根據愛因斯坦質能方程E=mc²，一定的質量m對應一定的能量E，二者的定量關係由比例係數“光速的平方”c²聯繫起來。由於核反應過程中存在能量的轉化，核反應前後粒子所蘊含的靜能量E=mc²可能會發生變化，從而靜質量在反應前後會增減。若核反應是吸收能量，核反應前後靜質量會增加；若核反應放出能量，則靜質量會減少，減少的質量就是核反應中虧損的質量Δm，那么核反應放出的核能ΔE=Δmc²。重核裂變與輕核聚變都屬於放能核反應，反應前後粒子的靜質量要減少，也即是說質量要有所虧損，而質量虧損就意味著能量的虧損，虧損的能量即原子核的原子能。

若從能量守恆定律的角度看，這虧損的質量Δm對應的靜能Δmc²轉化為粒子的動能或者γ光子（即γ射線的能量子）的能量。

化學反應中的質量虧損

化學反應比起前面討論的反應要緩和得多，但同樣遵循質能方程。當發生化學反應並釋放能量時，必定失去等當量的質量。但由於絕大多數化學反應釋放的能量遠遠小於常見核反應所釋放的能量。因此，相比於核反應來說，化學反應的質量虧損往往很小，以致於最精密的儀器都無法測量，只能通過反應釋放的能量來推算。這就是為什麼在拉瓦錫發現質量守恆定律之後，再沒有一個化學家在實驗室里發現任何一個反例的原因了。

嚴格地講，化學反應中體系的質量也是不守恆的。考慮到這一原因，我們應該說在反應前後沒有可檢測的質量變化。正如從卡車上遺落兩枚金幣，由於兩枚金幣的質量相對於卡車的質量太小了，以致於卡車質量似乎沒有改變。

以硝化甘油的爆炸為例，假定反應的起始狀態都為25℃的標準狀況，可以計算出反應前後的質量損失：
4C₃H₅N₃O₉(l) →6N₂(g)+12CO(g)+10H₂O(l)+7O₂(g)，ΔH=－2700kJ
反應體系釋放的能量等於熱量與做功之和： ΔE=ΔH－pΔV=ΔH－ΔnRT
其中Δn為反應前後氣體的改變數。 pΔV=62kJ
因此ΔE=－2762kJ，對應的質量當量應為ΔE/c²=3.074×10^－8g。

任何原子核的質量均小於構成它們的質子與中子的靜止質量之和，這種原子核的質量虧損是原子核形成的過程造成的，質子和中子的靜止質量分別為1.007276u和1.008665u，2H核的質量為2.013553u。由此，質量虧損為0.002388u，其能量當量為3.564×10^-13 J，這就是該反應釋放的能量，即原子核的結合能。

化學變化也是如此，例如C+4H→CH₄的反應，該反應釋放的能量為2.916×10^－18J/分子，反應中的質量虧損為1.954×10^－8u，遠遠小於²H核形成時的質量虧損。²H 形成過程中質量虧損0.12%，而甲烷分子形成過程中質量虧損0.000031%。

¹²C被用作定義原子量的標準，其靜止質量為12u。我們可以計算該原子在不同的條件下質量的大小，例如原子被加熱而獲得動能，或由於原子成鍵形成石墨或金剛石而消耗化學能時，原子的質量都會發生變化，見下表。石墨與金剛石之間的轉化就可以認為存在質量虧損，儘管這種質量虧損的大小是非常微弱的，但足以引起化學家的關注，化學家應時刻提醒自己原子的質量是與原子的化學狀態緊密聯繫的。

該表是¹²C在不同化學狀態下的原子質量。

狀態	原子質量/u
孤立原子的靜止質量	12.000000000000
孤立原子（298K）	12.000000000045
石墨（298K）	11.999999992116
金剛石（298K）	11.999999992137