核束縛能:使用 E = mc² 將質量虧損轉換為能量

學習如何使用 E = mc² 將原子核的質量虧損轉換為束縛能,並透過清晰的計算範例、單位換算及 HSC 考試風格的題目,掌握相關概念與解題技巧。

想像一下,先測量一群自由質子和中子的總質量,再讓它們形成一個原子核。形成後的原子核,其質量會比這些粒子分開時的總質量略小。這些質量去了哪裡?又為什麼如此微小的質量差異,能轉化成數個 MeV 的能量?

答案是 \(E=mc^2\),但 HSC 考試中重要的技能,是準確判斷應使用哪一個質量差、已知的單位是什麼,以及計算出的能量實際代表什麼。

能階示意圖:彼此分離的自由質子與中子位於束縛原子核之上;兩者之間的差距代表質量虧損與束縛能。
示意圖,並非按比例繪製。分離的自由核子狀態具有比束縛原子核更大的靜止質能;兩者的能量差透過 E_b = Δm c² 與質量虧損相對應。

01從物理圖像開始

可以把自由核子想像成位於較高的能階。當它們形成穩定的束縛原子核時,整個系統會轉移到較低的能量狀態。

要發生這種轉變,系統必須釋放能量。由於質量與能量等價,能量較低的原子核,其靜止質量也較小。

這個質量差稱為質量虧損,記作 \(\Delta m\)。

其定義為

\[ \Delta m = m_{\text{自由核子}} - m_{\text{原子核}} \]

因此,對一般的束縛原子核而言,質量虧損為正值。

相應的束縛能,記作 \(E_b\),是將原子核完全分解成各個自由質子和中子所需的能量。在初始狀態與最終狀態相同的前提下,這也等於自由核子形成束縛原子核時所釋放的能量。

示意圖顯示自由質子與中子處於較高的靜止質能狀態,隨後轉變為能量較低的束縛原子核,兩者之間的差值以束縛能的形式釋放。
示意圖,並非按比例繪製。當相同的質子與中子形成束縛原子核時,系統的靜止質能會降低;質量虧損 Δm 對應於所釋放的束縛能 E_b = Δm c²。

這裡有一個有用但有其局限的心智模型:想像一顆球滾進較低的山谷。球在谷底時的位能較低,而兩個位置之間的能量差已經釋放出來。當然,原子核並不是真的像球一樣滾進山谷。原子核的狀態由量子力學描述,而這個圖像也無法解釋核力。它只是幫助我們理解能量差的一種方式。

那麼,\(E=mc^2\) 在這裡有什麼作用?

嚴格來說,\(E=mc^2\) 給出的是與質量 \(m\) 相對應的靜止能量。

對於質量的變化,應使用

\[ \Delta E = \Delta m c^2 \]

其中:

  • \(\Delta E\) 是相應的靜止能量變化,單位為焦耳;
  • \(\Delta m\) 是質量差,單位為公斤;
  • \(c\) 是光速,\(3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)。

計算原子核的束縛能時,我們取其正值:

\[ E_b=\Delta m c^2 \]

令人驚訝的地方在於 \(c^2\)。因為

\[ c^2 \approx 9.00\times10^{16}\ \mathrm{m^2\,s^{-2}}, \]

即使質量虧損極小,也會對應到相當可觀的能量。

02讓計算變簡單的單位選擇

在使用計算機之前,先查看質量虧損的單位。

已知的質量虧損單位使用的公式算出的束縛能單位
公斤,kg\(E_b=\Delta m c^2\)焦耳,J
原子質量單位,u\(E_b=\Delta m\times931.5\)MeV
束縛能以 MeV 表示如有需要,除以 \(A\)每核子 MeV

這裡的 \(\mathrm{u}\) 是原子質量單位,而 \(A\) 是質量數,即質子和中子的總數。

這個快捷換算式

\[ 1\ \mathrm{u}\,c^2 \approx 931.5\ \mathrm{MeV} \]

直接源自 \(E=mc^2\),並不是另一套不同的物理原理。

使用

\[ 1\ \mathrm{u}=1.6605\times10^{-27}\ \mathrm{kg}, \]

可得

\[ (1\ \mathrm{u})c^2 \approx 1.49\times10^{-10}\ \mathrm{J}, \]

這相當於約 \(931.5\ \mathrm{MeV}\)。

因此,如果質量虧損已經以 u 表示,再乘一次 \(c^2\) 就是錯誤的。\(c^2\) 已經包含在 \(931.5\ \mathrm{MeV/u}\) 這個換算關係中。

判斷流程圖,說明如何將以公斤或原子質量單位表示的質量虧損轉換為束縛能,再進一步計算每核子束縛能。
根據 Δm 的單位選擇計算路徑:若單位是公斤,使用 E_b = Δm c²,結果為焦耳;若單位是原子質量單位,使用 Δm × 931.5,結果為 MeV。若已知束縛能以 MeV 表示,則除以質量數 A,即可得到每核子的束縛能,單位為 MeV。

03計算範例:氦-4 原子核的束縛能

氦-4 原子核的質量虧損為 \(0.0304\ \mathrm{u}\)。計算其總束縛能,分別以 MeV 和焦耳表示。

步驟 1:由於質量虧損以原子質量單位表示,因此使用快捷換算式。

\[ E_b=\Delta m\times931.5 \]

步驟 2:代入質量虧損。

\[ E_b=(0.0304)(931.5) \]

\[ E_b=28.3176\ \mathrm{MeV} \]

步驟 3:將答案適當地四捨五入。

\[ \boxed{E_b\approx28.3\ \mathrm{MeV}} \]

步驟 4:如果題目有要求,將 MeV 轉換成焦耳。

由於 \(1\ \mathrm{MeV}=1.602\times10^{-13}\ \mathrm{J}\),

\[ E_b=(28.3176)(1.602\times10^{-13}) \]

\[ \boxed{E_b\approx4.54\times10^{-12}\ \mathrm{J}} \]

步驟 5:解釋結果的物理意義。

要將氦-4 原子核完全分解成兩個自由質子和兩個自由中子,需要約 \(28.3\ \mathrm{MeV}\) 的能量。

請注意,這個答案並不是說原子核內含有一小包 \(28.3\ \mathrm{MeV}\) 的能量,可以直接將它取出。束縛能描述的是束縛原子核與核子彼此分離時的狀態之間的能量差。

氦-4 的能階示意圖:兩個自由質子和兩個自由中子位於束縛態氦-4 原子核之上,兩者之間的能量差為 28.3 MeV。
示意圖,並非按比例繪製。彼此分離的 2p + 2n 狀態,其靜止質能比束縛態氦-4 原子核高出 28.3 MeV;當相同的自由核子形成束縛狀態時,這個能量差就是所釋放的束縛能。

04計算範例:總束縛能與每核子束縛能

假設鐵-56 原子核的質量虧損為 \(0.5285\ \mathrm{u}\)。計算其總束縛能,以及每核子的束縛能。

步驟 1:利用質量虧損計算總束縛能。

\[ E_b=(0.5285)(931.5) \]

\[ E_b=492.3\ \mathrm{MeV} \]

因此,總束縛能為

\[ \boxed{E_b\approx492\ \mathrm{MeV}} \]

步驟 2:除以質量數,求出每核子的束縛能。

鐵-56 的 \(A=56\)。

\[ \frac{E_b}{A} \= \frac{492.3}{56} \]

\[ \boxed{\frac{E_b}{A}\approx8.79\ \mathrm{MeV/nucleon}} \]

步驟 3:分別解釋這兩個數值。

\(492\ \mathrm{MeV}\) 是整個原子核的束縛能。

\(8.79\ \mathrm{MeV/nucleon}\) 是平均值,可用來比較不同大小的原子核。

這並不代表每個核子都恰好貢獻 \(8.79\ \mathrm{MeV}\)。核子之間並不是平均分配核束縛能的。

比較氦-4與鐵-56的總束縛能及每核子束縛能。
總束縛能與每核子束縛能是兩種不同的量,且具有不同的數值尺度。氦-4的總束縛能為 28.3 MeV,每核子束縛能為 7.08 MeV/nucleon;鐵-56的總束縛能為 492.3 MeV,每核子束縛能為 8.79 MeV/nucleon。較大的原子核具有高得多的總束縛能,但每核子束縛能只略高一些。

05提交答案前值得檢查的錯誤

1. 使用錯誤的單位

如果 \(\Delta m\) 的單位是 kg,

\[ E_b=\Delta m c^2 \]

得出的單位是焦耳。

如果 \(\Delta m\) 的單位是 u,

\[ E_b=\Delta m\times931.5 \]

得出的單位是 MeV。

不要在第二個計算中再次乘上 \(c^2\)。

2. 把質量虧損的相減次序顛倒

一般採用的定義是

\[ \Delta m \= m_{\text{自由核子}} - m_{\text{原子核}} \]

如果正常的束縛原子核算出負值,請檢查相減的次序。

束縛能以正值表示:

\[ E_b=\Delta m c^2 \]

這裡使用的是正的質量虧損。

3. 混淆總束縛能與每核子束縛能

含有較多核子的原子核,其總束縛能可能大得多,單是因為它含有更多核子。

比較不同原子核時,每核子束縛能通常更有參考價值:

\[ \text{每核子束縛能} \= \frac{E_b}{A} \]

除非題目要求計算每核子的數值,否則不要除以 \(A\)。

4. 認為質量只是被摧毀了

更準確的說法是:束縛原子核的靜止質量較低,因為系統已經釋放能量。

總質能守恆。

「消失的質量」是一種方便的簡稱,但質量並沒有憑空消失。

5. 把所有核能釋放都稱為束縛能

束縛能是將特定原子核分解成自由核子所需的能量。

核衰變或核反應則是另一類問題。要計算核反應釋放的能量,應比較初始狀態與最終狀態的總質能。

這個區別在核分裂中特別重要。

如果你需要先利用質子、中子和原子核的質量計算質量虧損,請參閱質量虧損:消失的質量如何轉化為原子核的束縛能。

06可靠的 HSC 計算流程

遇到質量虧損題目時,依照以下次序處理:

  1. 確認 \(\Delta m\) 的單位。
  2. 選擇相應的公式。
  3. 計算總束縛能。
  4. 只有在題目要求其他單位時,才進行單位換算。
  5. 只有在題目要求每核子束縛能時,才除以 \(A\)。
  6. 檢查答案的數值大小和單位是否合理。
  7. 說明能量的物理意義。

最後一步很容易被忽略。在書面答案中,不要只把 \(E_b=492\ \mathrm{MeV}\) 留在紙上。應說明這是將原子核分解成自由核子所需的能量。

07題目與解答

題目 1

某原子核的質量虧損為 \(0.00400\ \mathrm{u}\)。計算其以 MeV 表示的束縛能。

解答 1

束縛能為 \(3.73\ \mathrm{MeV}\)。 由於質量虧損以原子質量單位表示,因此使用 \(931.5\ \mathrm{MeV/u}\) 的換算關係。

\[ E_b=\Delta m\times931.5 \]

\[ E_b=(0.00400)(931.5) \]

\[ \boxed{E_b=3.73\ \mathrm{MeV}} \]

關鍵在於選擇適當的單位換算方式。如果直接使用 \(E_b=\Delta mc^2\),就必須先將質量虧損由 u 轉換成 kg。

題目 2

某原子核的質量虧損為 \(6.64\times10^{-29}\ \mathrm{kg}\)。

計算:

  • 以焦耳表示的束縛能;
  • 以 MeV 表示的束縛能。

解釋為什麼以 MeV 表示時,數值會大幅增加。

解答 2

束縛能為 \(5.98\times10^{-12}\ \mathrm{J}\),亦即 \(37.4\ \mathrm{MeV}\)。 質量虧損已經以公斤表示,因此可以直接使用 \(E_b=\Delta mc^2\)。

步驟 1:代入質量虧損和光速。

\[ E_b \= (6.64\times10^{-29}) (3.00\times10^8)^2 \]

\[ E_b=5.976\times10^{-12}\ \mathrm{J} \]

因此,

\[ \boxed{E_b=5.98\times10^{-12}\ \mathrm{J}} \]

步驟 2:將焦耳轉換成 MeV。

由於

\[ 1\ \mathrm{MeV}=1.60\times10^{-13}\ \mathrm{J}, \]

\[ E_b \= \frac{5.976\times10^{-12}} {1.60\times10^{-13}} \]

\[ \boxed{E_b\approx37.4\ \mathrm{MeV}} \]

數值之所以改變,是因為 MeV 是比焦耳小得多的能量單位。實際的物理能量並沒有增加。

一個容易犯的錯誤,是看到 \(6.64\times10^{-29}\ \mathrm{kg}\),便預期能量也會有同樣小的數值。將這個微小質量差轉換成大得多的能量尺度,關鍵就在於因子 \(c^2\)。

題目 3

原子核 A 的質量數為 \(A=40\),質量虧損為 \(0.342\ \mathrm{u}\)。

原子核 B 的質量數為 \(A=16\),質量虧損為 \(0.150\ \mathrm{u}\)。

計算每個原子核的總束縛能和每核子束縛能。哪個原子核的總束縛能較大?哪個原子核的每核子束縛能較大?

解答 3

原子核 A 的總束縛能較大,但原子核 B 的每核子束縛能較大。 這題的陷阱,是假設「總束縛能較大」和「每核子束縛能較大」必定會指向同一個原子核。

對原子核 A:

\[ E_{b,A}=(0.342)(931.5) \]

\[ E_{b,A}=318.6\ \mathrm{MeV} \]

因此,

\[ \boxed{E_{b,A}\approx319\ \mathrm{MeV}} \]

每核子的束縛能為

\[ \frac{E_{b,A}}{A} \= \frac{318.6}{40} \]

\[ \boxed{7.96\ \mathrm{MeV/nucleon}} \]

對原子核 B:

\[ E_{b,B}=(0.150)(931.5) \]

\[ E_{b,B}=139.7\ \mathrm{MeV} \]

因此,

\[ \boxed{E_{b,B}\approx140\ \mathrm{MeV}} \]

每核子的束縛能為

\[ \frac{E_{b,B}}{A} \= \frac{139.7}{16} \]

\[ \boxed{8.73\ \mathrm{MeV/nucleon}} \]

因此,A 的總束縛能較大,因為 \(319\ \mathrm{MeV}>140\ \mathrm{MeV}\)。

B 的每核子束縛能較大,因為 \(8.73>7.96\ \mathrm{MeV/nucleon}\)。

關鍵在於兩個原子核的核子數不同。總束縛能是整個原子核中束縛能的總和,而每核子束縛能則消除了原子核大小的影響。

題目 4

某原子核處於基態時,質量虧損為 \(0.250\ \mathrm{u}\)。它吸收了 \(5.00\ \mathrm{MeV}\) 的能量,並在核子數沒有增加或減少的情況下進入激發態。

計算:

  • 激發態原子核以 u 表示的質量虧損;
  • 激發態原子核以 MeV 表示的束縛能。

一名學生說:「原子核獲得了能量,所以它的質量虧損必定增加。」解釋為什麼這個說法是錯誤的。

解答 4

激發態原子核的質量虧損為 \(0.2446\ \mathrm{u}\),束縛能為 \(227.9\ \mathrm{MeV}\)。 關鍵在於,加入能量會增加原子核的質能,使其質量更接近彼此分離的核子的總質量。因此,它的質量虧損會減少。

步驟 1:計算基態的束縛能。

\[ E_b=(0.250)(931.5) \]

\[ E_b=232.875\ \mathrm{MeV} \]

步驟 2:將 \(5.00\ \mathrm{MeV}\) 的激發能轉換成相應的質量。

由

\[ E=\Delta mc^2, \]

並使用核物理的換算關係,

\[ \Delta m \= \frac{5.00}{931.5} \]

\[ \Delta m=0.00537\ \mathrm{u} \]

步驟 3:求出激發態的質量虧損。

自由核子的參考質量並沒有改變。激發態原子核的質量增加了 \(0.00537\ \mathrm{u}\),所以質量虧損會減少:

\[ \Delta m_{\text{激發態}} \= 0.250-0.00537 \]

\[ \boxed{\Delta m_{\text{激發態}} \=0.2446\ \mathrm{u}} \]

步驟 4:求出激發態的束縛能。

\[ E_{b,\text{激發態}} \= (0.2446)(931.5) \]

\[ \boxed{E_{b,\text{激發態}}\approx227.9\ \mathrm{MeV}} \]

學生的預測聽起來似乎合理,因為「更多能量」容易讓人聯想到「更強的束縛」。但激發態的情況恰好相反:原子核移至較高的能量狀態,相對於自由核子的參考狀態而言,其束縛程度較低。束縛能恰好減少了 \(5.00\ \mathrm{MeV}\)。

題目 5

考慮一個假想的原子核 X。

X 處於基態時,質量虧損為 \(0.400\ \mathrm{u}\)。X 最初處於高出基態 \(6.00\ \mathrm{MeV}\) 的激發態。

它最終可以透過以下任一途徑,變成相同的兩個基態子核:

  • 途徑 A: X 先放出一個 \(6.00\ \mathrm{MeV}\) 的伽瑪射線光子,返回基態,然後分裂成兩個子核。
  • 途徑 B: X 在仍處於激發態時直接分裂,產生相同的兩個基態子核,而不先放出伽瑪射線。

兩個子核的質量虧損總和為 \(0.460\ \mathrm{u}\)。

假設沒有核子被放出或吸收,且所有釋放的能量都以伽瑪射線或產物的動能形式帶走。

計算途徑 A 中分裂步驟所釋放的能量,再計算兩條途徑從最初激發態開始所釋放的總能量。最後,解釋為什麼途徑 B 不會釋放較少的總能量,即使激發態原子核的束縛能較小。

能階圖顯示激發態原子核 X 的能量比基態高 6.00 MeV,並以兩條途徑轉變為相同的子核產物:先放出伽瑪射線再分裂,或直接分裂。
能階示意圖,並非按比例繪製。以基態 X 的能量為 0 MeV,激發態的能量為 +6.00 MeV,而子核產物的能量為 −55.9 MeV。因此,兩條途徑釋放的總能量相同,均為 61.9 MeV。

解答 5

兩條途徑都會釋放總共 \(61.9\ \mathrm{MeV}\) 的能量,但途徑 B 在直接分裂時釋放 \(61.9\ \mathrm{MeV}\),而途徑 A 則先以伽瑪輻射釋放 \(6.00\ \mathrm{MeV}\),再於隨後的分裂過程中釋放 \(55.9\ \mathrm{MeV}\)。 關鍵在於,兩條途徑都從相同的激發態開始,並以相同的最終狀態結束。

步驟 1:計算 X 在基態時的束縛能。

\[ E_{b,X} \= (0.400)(931.5) \]

\[ E_{b,X}=372.6\ \mathrm{MeV} \]

步驟 2:計算兩個子核的總束縛能。

\[ E_{b,\text{產物}} \= (0.460)(931.5) \]

\[ E_{b,\text{產物}} \= 428.49\ \mathrm{MeV} \]

因此,兩個產物的總束縛程度比基態的母核更高。

步驟 3:求出基態 X 分裂時釋放的能量。

總束縛能的增加量為

\[ 428.49-372.6 \= 55.89\ \mathrm{MeV} \]

因此,途徑 A 中的分裂步驟會釋放

\[ \boxed{55.9\ \mathrm{MeV}} \]

這裡容易犯的錯誤,是直接把產物的質量虧損 \(0.460\ \mathrm{u}\) 當成釋放的能量。這是不正確的。能量釋放取決於最終與初始質能狀態之間的差值。

步驟 4:計入初始激發能。

在兩條途徑開始之前,X 的能量比基態 X 多出 \(6.00\ \mathrm{MeV}\)。

對途徑 A:

\[ E_{\text{總}} \= 6.00+55.89 \]

\[ \boxed{E_{\text{總}}=61.9\ \mathrm{MeV}} \]

最初的 \(6.00\ \mathrm{MeV}\) 以伽瑪射線的形式釋放。其餘的 \(55.9\ \mathrm{MeV}\) 則在基態原子核分裂時釋放。

步驟 5:考慮途徑 B。

激發態原子核的初始能量比基態原子核高 \(6.00\ \mathrm{MeV}\),但它與途徑 A 一樣,最終都會到達完全相同的狀態。

因此,初始狀態與最終狀態之間的總能量差仍然是

\[ \boxed{61.9\ \mathrm{MeV}} \]

在途徑 B 中,\(6.00\ \mathrm{MeV}\) 的激發能並沒有消失。當激發態原子核分裂時,這部分能量仍然可供釋放,因此直接分裂會釋放

\[ 55.89+6.00 \= \boxed{61.9\ \mathrm{MeV}} \]

這些能量會由產物帶走。

步驟 6:解釋表面上的矛盾。

激發態原子核的束縛能確實比基態原子核小。這表示,相對於自由核子的狀態而言,激發態原子核的束縛程度較低。

但是,「束縛程度較低」並不代表「能量較低」。

事實上,激發態原子核具有較高的質能。從較高能量的狀態出發,並到達相同的最終狀態,就會有更多能量可供釋放。

因此,如果學生預測途徑 B 必定釋放較少能量,就代表他混淆了束縛能與初始能量。

更深層的原則很簡單:如果兩條核反應途徑具有相同的初始狀態和相同的最終狀態,那麼兩者釋放的總能量必定相同,即使能量在過程中的分配方式不同。

08這些知識如何幫助你理解下一個主題

一旦你能將質量虧損轉換成束縛能,分析核反應就會容易得多。你可以比較初始與最終原子核的束縛能,並判斷反應是否有可釋放的能量。

這正是核分裂:分裂產物、中子與能量背後的關鍵概念:分裂產物的總束縛能可能高於原始原子核,這對應於較低的總質能,因此會釋放能量。