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【背景】

  追尋守恒量是物理學(xué)研究物質(zhì)世界的重要方法之一，它常揭示出隱藏在物理現(xiàn)象背后的客觀規(guī)律。中學(xué)階段同學(xué)們接觸到的守恒定律有電荷守恒定律、質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、機(jī)械能守恒定律、動(dòng)量守恒定律等。質(zhì)量守恒定律反映了“物質(zhì)不滅”；電荷守恒定律反映了“物之間相互作用”；能量守恒定律、機(jī)械能守恒定律和動(dòng)量守恒定律反應(yīng)了“運(yùn)動(dòng)不滅”?；谧匀豢茖W(xué)的發(fā)展趨勢(shì)之一是用越來(lái)越少的定律解決越來(lái)越多的問(wèn)題。有科學(xué)家提出能量守恒定律為唯一源定律的新牛頓力學(xué)。

【問(wèn)題】

  有人提出質(zhì)疑，說(shuō)能量守恒定律指出在能量轉(zhuǎn)換和傳遞過(guò)程中能量的總量恒定不變；質(zhì)量守恒定律指出在任何與周?chē)艚^的物質(zhì)系統(tǒng)（孤立系統(tǒng)）中，不論發(fā)生何種變化或過(guò)程，其總質(zhì)量保持不變；但愛(ài)因斯坦相對(duì)論動(dòng)力學(xué)的一個(gè)著名結(jié)論是質(zhì)能方程：E=mc²，此方程表明物質(zhì)的質(zhì)量虧損對(duì)應(yīng)著一定的能量損失。這是否說(shuō)明能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律不是普適定律？

【解釋】

  相對(duì)論力學(xué)指出粒子的總能量包含靜止能量和運(yùn)動(dòng)能量。物體的靜止能量是它的總內(nèi)能，包括分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能、分子間相互作用的勢(shì)能、使原子與原子結(jié)合在一起的化學(xué)能、原子內(nèi)使原子核和電子結(jié)合在一起的電磁能，以及原子核內(nèi)質(zhì)子、中子的結(jié)合能……一定質(zhì)量的粒子具有一定的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)能量，反過(guò)來(lái)，帶有一定內(nèi)部運(yùn)動(dòng)能量的粒子就表現(xiàn)出有一定的慣性質(zhì)量。在基本粒子轉(zhuǎn)化過(guò)程有可能把粒子內(nèi)部蘊(yùn)藏著的全部靜止能量釋放出來(lái)，變?yōu)榭梢岳玫膭?dòng)能。由此可見(jiàn)，在相對(duì)論力學(xué)中，能量和質(zhì)量只不過(guò)是物體力學(xué)性質(zhì)的兩個(gè)不同方面，而且可以相互轉(zhuǎn)化。質(zhì)能方程是關(guān)于原子核反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量和能量的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。在相對(duì)論力學(xué)中指出，物體以速度 v 運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量 m 與靜止時(shí)的質(zhì)量m₀之間有以下關(guān)系：。此式表明物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量 m 總要大于靜止時(shí)的質(zhì)量 m₀。微觀粒子的運(yùn)動(dòng)速度很高，它的質(zhì)量明顯大于靜止質(zhì)量，在核反應(yīng)中，這個(gè)現(xiàn)象必須考慮。

  當(dāng)大量粒子構(gòu)成復(fù)合物體時(shí)，各粒子之間將存在相互作用的能以及有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能；而當(dāng)物體整體靜止時(shí)，它的總能量一般不等于所有粒子的靜止能量之和，兩者之差稱(chēng)為物體的結(jié)合能。與此對(duì)應(yīng)物體靜止質(zhì)量亦不等于組成它的各粒子的靜止質(zhì)量之和，兩者之差稱(chēng)為質(zhì)量虧損，質(zhì)量虧損與結(jié)合能之間有關(guān)系:ΔE=Δmc² 。有學(xué)生就誤認(rèn)為，核反應(yīng)過(guò)程中，質(zhì)量不再守恒，且減少的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。在核反應(yīng)中，釋放的核能是原子核靜止能量的一部分，即原子核內(nèi)核子的強(qiáng)相互作用的核能等轉(zhuǎn)化成了發(fā)射粒子的動(dòng)能和勢(shì)能，但總能量守恒；此外核反應(yīng)前后，原子核有質(zhì)量虧損，由于發(fā)射的微觀粒子高速飛出而質(zhì)量增大，其增大質(zhì)量就是原子核質(zhì)量虧損，但總質(zhì)量仍然守恒。

  通常情況下，質(zhì)量守恒是在低速條件下的靜止質(zhì)量守恒，化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量守恒就是這種情況；化學(xué)反應(yīng)中的能量變化，沒(méi)有涉及到物體的微觀靜止能量與運(yùn)動(dòng)能量的變化。可以用宏觀經(jīng)典力學(xué)中能量守恒理論解釋。化學(xué)變化中只改變物質(zhì)的組成，不能創(chuàng)造物質(zhì)，也不能消滅物質(zhì)，所以質(zhì)量守恒定律又稱(chēng)物質(zhì)不滅定律。

  對(duì)于高溫物體的熱輻射，是物體具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。是一種物體用電磁輻射的形式把熱能向外散發(fā)的熱傳導(dǎo)方式。我們所說(shuō)質(zhì)量守恒，仍然是低速條件下的靜止質(zhì)量守恒，沒(méi)有考慮能量減少引起的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量變化。實(shí)際上，輻射能量的同時(shí)是有質(zhì)量虧損的，物體的一部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了光子的質(zhì)量。此外，原子核衰變時(shí)放出能量，其總質(zhì)量也是減小的。原子核衰變時(shí)釋放的 α粒子、β 粒子、中子、質(zhì)子、核子團(tuán)等的動(dòng)能即來(lái)自于衰變前后質(zhì)量虧損對(duì)應(yīng)的核能。

【結(jié)論】

  可見(jiàn)，質(zhì)能方程把質(zhì)量和能量的關(guān)系表達(dá)了出來(lái)，并沒(méi)有違背能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律。質(zhì)能方程表明，物體的質(zhì)量是它所含能量的量度，質(zhì)能方程將經(jīng)典力學(xué)中彼此獨(dú)立的質(zhì)量守恒和能量守恒定律結(jié)合形成了統(tǒng)一的“質(zhì)能守恒定律”，它充分反映了物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一性。一方面，任何物質(zhì)系統(tǒng)既可用質(zhì)量 m 來(lái)標(biāo)志它的數(shù)量，也可用能量 E來(lái)標(biāo)志它的數(shù)量；另一方面，一個(gè)系統(tǒng)的能量減少時(shí)，其質(zhì)量也相應(yīng)減少，另一個(gè)系統(tǒng)接受了能量時(shí)，其質(zhì)量也相應(yīng)地增加。質(zhì)能方程在更為寬泛的領(lǐng)域揭示了質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律的正確性。