结合能 のう (英 えい 语:binding energy )依 よ 语境又 また 称 しょう 束 たば 缚能 ,是 ぜ 指 ゆび 两个或 ある 多 た 个粒子 りゅうし 结合成 ごうせい 更 さら 大 だい 的 てき 微粒 びりゅう 释放的 てき 能 のう 量 りょう ,或 ある 相 あい 应的微粒 びりゅう 分解 ぶんかい 成原 なりはら 来 らい 的 てき 粒子 りゅうし 需要 じゅよう 吸收 きゅうしゅう 的 てき 能 のう 量 りょう ,这两种表述 じゅつ 是 ぜ 等 とう 价的。
比 ひ 如质子 和 わ 中子 なかご 结合成 ごうせい 原子核 げんしかく 时放出 ほうしゅつ 的 てき 能 のう 量 りょう ,或 ある 原子核 げんしかく 完全 かんぜん 分解 ぶんかい 成 なり 质子和 かず 中子 なかこ 时吸收 きゅうしゅう 的 てき 能 のう 量 りょう ,就是这种原子核 げんしかく 的 てき 结合能 のう 。在 ざい 结合成 ごうせい 原子核 げんしかく 的 てき 过程中 ちゅう ,结合之 の 前 ぜん 质子与 あずか 中子 なかご 质量之 の 和大 かずひろ 于结合 あい 之 の 后 きさき 原子核 げんしかく 的 てき 质量,出 で 现质量亏损 ,放出 ほうしゅつ 能 のう 量 りょう 。放出 ほうしゅつ 的 てき 能 のう 量 りょう 可 か 以用质能方 かた 程 ほど
Δ でるた
E
=
(
Δ でるた
M
)
c
2
{\displaystyle \Delta E=(\Delta M)c^{2}}
计算[ 1] 。
又 また 如假设电子 こ 在 ざい 原子 げんし 的 てき 第 だい n层轨域 いき 的 てき 能 のう 量 りょう 为 -En,欲 よく 使 し 此电子 こ 脱 だつ 离轨域 いき 至 いたり 少 しょう 需要 じゅよう En的 てき 能 のう 量 りょう ;此能量 りょう -En,即 そく 为该电子在 ざい 第 だい n层轨域 いき 上 じょう 之 の 束 たばね 缚能[ 2] 。
在 ざい 更 さら 广泛的 てき 层面上 じょう ,结合能 のう 是 ぜ 指 ゆび 将 しょう 一个整体分为若干个部分所需要的能 のう 量 りょう (或 ある 者 もの 相反 あいはん 过程放出 ほうしゅつ 的 てき 能 のう 量 りょう )。一 いち 个处于基 もと 态的 てき 整体 せいたい 相 しょう 比 ひ 于组成 なり 它的分散 ぶんさん 的 てき 个体拥有更 さら 低 ひく 的 てき 能 のう 量 りょう ,这是这个系 けい 统能够处于稳定 じょう 状 じょう 态的原因 げんいん 。
在 ざい 原子 げんし 尺度 しゃくど 上 じょう ,原子 げんし 的 てき 原子 げんし 结合能 のう 源 みなもと 于原子 げんし 内部 ないぶ 的 てき 电磁作用 さよう ,是 ぜ 使 し 原子 げんし 分解 ぶんかい 为电子 和 わ 原子核 げんしかく 所 ところ 需的能 のう 量 りょう 。电子结合能 のう 是 ぜ 原子 げんし 释放电子成 なり 为离子 所 ところ 需要 じゅよう 的 てき 能 のう 量 りょう ,通常 つうじょう 称 しょう 为电离能[ 3] 。
在 ざい 原子核 げんしかく 尺度 しゃくど 上 じょう ,结合能 のう 等 とう 于核 かく 子 こ 或 ある 原子核 げんしかく 组成新 しん 原子核 げんしかく 时释放的 てき 能 のう 量 りょう ,同 どう 时也是 ぜ 将 はた 原子核 げんしかく 分解 ぶんかい 为自由 じゆう 的 てき 、未 み 结合的 てき 核 かく 子 こ 需要 じゅよう 的 てき 能 のう 量 りょう [ 4] [ 5] 。原子核 げんしかく 的 てき 结合能 のう 源 みなもと 于核子 こ 之 の 间的核 かく 力 りょく [ 6] 。
在 ざい 天体 てんたい 物理 ぶつり 学 がく 上 うえ ,天体 てんたい 的 てき 引力 いんりょく 结合能 のう 是 ぜ 指 ゆび 将 はた 该天体 てんたい 的 てき 物 ぶつ 质全部 ぶ 移 うつり 动到无穷远处需要 じゅよう 的 てき 能 のう 量 りょう 。和 わ 引力 いんりょく 势能不同 ふどう ,引力 いんりょく 势能是 ぜ 指 ゆび 将 はた 两个在 ざい 万有引力 ばんゆういんりょく 作用 さよう 下 か 的 てき 物体 ぶったい (比 ひ 如地球 ちきゅう 和 わ 太 ふとし 阳 )之 の 间距离增加 ぞうか 到 いた 无穷大 だい (而物体 ぶったい 保持 ほじ 完 かん 整 せい )需要 じゅよう 的 てき 能 のう 量 りょう 。后 きさき 者 しゃ 能 のう 量 りょう 更 さら 小 しょう 些。
一般 いっぱん 来 らい 说,一 いち 个被束 たば 缚的系 けい 统相比 ひ 于它对应的 てき 未 み 束 たば 缚的组成部分 ぶぶん 拥有更 さら 低 ひく 的 てき 能 のう 量 りょう ,也因此拥有 ゆう 更 さら 少 すくな 的 てき 质量 。对于一个结合能很低的系统,各 かく 组成部分 ぶぶん 结合后 きさき 的 てき 质量的 てき 亏损也会是 ぜ 极小的 てき ;而对于一个结合能很高的系统,质量的 てき 亏损就会很容易 ようい 测得。
在 ざい 一个静态系统(不 ふ 含任何 なん 净动量 的 まと 系 けい 统),所有 しょゆう 形式 けいしき 的 てき 能 のう 量 りょう 表 ひょう 现为静 せい 质量。而由于结合 あい 能 のう 而损失 しつ 的 てき 质量转化为了热 、光 ひかり 、原子 げんし 或 ある 原子核 げんしかく 的 てき 较高能 のう 级或其他形式 けいしき 的 てき 能 のう 量 りょう ,根 ね 据 すえ 爱因斯坦 的 てき 质能方 かた 程 ほど ,质量亏损和 わ 能 のう 量 りょう 损失是 ぜ 一致 いっち 的 てき 。一旦系统冷却下来,从高能 のう 级跃迁至低能 ていのう 级,系 けい 统剩余 あまり 的 てき 质量将 しょう 比 ひ 最初 さいしょ 在高 ありだか 能 のう 量 りょう 状 じょう 态下时低。质量的 てき 测定通常 つうじょう 在 ざい 较低的 てき 温度 おんど (即 そく 系 けい 统处于基态/被 ひ 束 たば 缚态)下 しも 进行,这时测得的 てき 质量与 あずか 它的组成部分 ぶぶん 的 てき 质量之 の 和 わ 的 てき 差 さ 值称作 さく “质量亏损”。[ 7]
这里给出一 いち 个例子 こ :两个物体 ぶったい 在 ざい 空 そら 间中通 どおり 过引力 いんりょく 场相互 そうご 吸引 きゅういん 。引力 いんりょく 使 し 两个天体 てんたい 加速 かそく ,使 つかい 它们通 どおり 过互相 しょう 靠 もたれ 近 きん 使 つかい 引力 いんりょく 势能 转化为动能 而加速 かそく 。如果两个物体 ぶったい 之 の 间没有 ゆう (除 じょ 引力 いんりょく 之 の 外的 がいてき )相互 そうご 作用 さよう 就互相 しょう 飞越后 きさき 分 ぶん 开,或 ある 是 ぜ 发生了 りょう 完全 かんぜん 弹性碰撞 ,那 な 么这时动能 のう 开始转化为引力 りょく 势能,速度 そくど 减小。这两个正在 ざい 减速的 てき 物体 ぶったい 之 の 间的距离最 さい 终可以达到开始时的值,然 しか 后 きさき 重 おも 新 しん 开始上面 うわつら 的 てき 过程。这就说明一个没有损失能量的系统(例 れい 子中 こなか 动能和 わ 引力 いんりょく 势能相互 そうご 转化,没 ぼつ 有 ゆう 损失),不 ふ 会 かい 结合成 ごうせい 一 いち 个稳定 じょう 的 てき 物体 ぶったい 。因 よし 此,只 ただ 有 ゆう 因 いん 加速 かそく 而获得 とく 的 てき 动能全部 ぜんぶ 损失之 の 后 きさき ,才能 さいのう 结合成 ごうせい 一 いち 个稳定 じょう 的 てき 物体 ぶったい 。
类似的 てき 情 じょう 况在化学 かがく 和 かず 核 かく 物理 ぶつり 等 とう 方面 かたも 都 と 有 ゆう 所 しょ 体 からだ 现。在 ざい 孤立 こりつ 系 けい 统中进行的 てき 放 ひ 热化学 かがく 反 はん 应 并不改 あらため 变系统质量 りょう ,一旦 いったん 反 はん 应中放出 ほうしゅつ 的 てき 热量 被 ひ “移 うつり ”出 だし 这个系 けい 统(对应能 のう 量的 りょうてき 改 あらため 变),那 な 么系统质量 りょう 就会发生改 あらため 变(这样的 てき 质量变化对于宏 ひろし 观系统来说太小 しょう ,以致于难以探测到)。吸热反 はん 应则反 はん 之 これ 。在 ざい 核 かく 反 はん 应中 なか ,质量的 てき 改 あらため 变会产生光 ひかり 和 わ 热 ,而结合 あい 能 のう 在 ざい 总能量 りょう 中 ちゅう 占 うらない 的 てき 比例 ひれい 也更大 だい 。质量的 てき 变化可 か 以直接 ちょくせつ 从生成 せいせい 物 ぶつ 和 わ 反 はん 应物的 てき 质量的 てき 差 さ 值计算出 さんしゅつ 来 らい 。
系 けい 统中质量的 てき 减少,尤 ゆう 其是原子核 げんしかく 中 ちゅう 质量的 てき 变化,被 ひ 称 しょう 为质量亏损 。在 ざい 核 かく 裂 きれ 变 、核 かく 聚变和 かず 自 じ 发的衰 おとろえ 变过程 ほど 中 ちゅう ,变化后 きさき 的 てき 质量小 しょう 于之前 まえ 的 てき 质量,因 いん 此放出 ほうしゅつ 能 のう 量 りょう 。这样放出 ほうしゅつ 的 てき 能 のう 量 りょう 以
Δ でるた
E
=
Δ でるた
m
c
2
{\displaystyle \Delta E=\Delta mc^{2}}
计算。
对于上述 じょうじゅつ 公式 こうしき 的 てき 最新 さいしん 证明在 ざい 2005年 ねん ,兰维尔(英 えい 语:Rainville )等 とう 人 じん 发表的 てき 实验中 ちゅう ,通 つう 过比较质量 りょう 变化与 あずか 中子 なかご 俘获 时发射的 しゃてき 伽 とぎ 玛射线的 てき 能 のう 量 りょう ,来 らい 证明硅 和 わ 硫 的 てき 同位 どうい 素 もと 原子 げんし 中 ちゅう 中子 なかご 的 てき 结合能 のう 导致的 てき 质量损失中 ちゅう 的 てき 能 のう 量 りょう 守恒 もりつね 。伽 とぎ 马射线的能 のう 量 りょう 与 あずか 质量损失对应的 てき 能 のう 量 りょう 相差 おうさつ 不 ふ 超 ちょう 过±0.00004 %。[ 8]
一个原子核的结合能与其中核子数量(质子 与 あずか 中子 なかご 数量 すうりょう 之 の 和 わ )的 てき 比 ひ 值称为原子核 げんしかく 的 てき 平均 へいきん 结合能 のう ,又 また 称 たたえ 比 ひ 结合能 のう 。随 ずい 着 ぎ 原子 げんし 序 じょ 数 すう 的 てき 增大 ぞうだい ,原子核 げんしかく 的 てき 平均 へいきん 结合能 のう 发生变化。在 ざい 铁 元素 げんそ 平均 へいきん 结合能 のう 达到最大 さいだい ,之 これ 后 きさき 开始缓慢下降 かこう 。由 よし 较低平均 へいきん 结合能 のう 的 てき 原子核 げんしかく 转变为较高 だか 平均 へいきん 结合能 のう 的 てき 原子核 げんしかく 时就会 かい 释放能 のう 量 りょう 。
元素 げんそ 平均 へいきん 结合能 のう 在 ざい 达到最高 さいこう 前 ぜん 有 ゆう 几个峰 ほう 值,在 ざい 铁元素 げんそ 处达到最大 さいだい 随 ずい 后 きさき 缓慢下降 かこう
核 かく 裂 きれ 变与 あずか 核 かく 聚变是 ぜ 分 ぶん 别将重 じゅう 核 かく 和 わ 轻核向 こう 着 ちゃく 平均 へいきん 结合能 のう 增大 ぞうだい 的 てき 方向 ほうこう 转变的 てき 过程,因 いん 此都能 のう 放出 ほうしゅつ 巨 きょ 大能 おおの 量 りょう 。
恒星 こうせい 中 ちゅう 发生的 てき 核 かく 聚变反 はん 应能产生的 てき 最 さい 重 じゅう 的 てき 元素 げんそ 是 ぜ 铁 ,因 いん 为如果 はて 要 よう 聚变成 なり 更 さら 重 じゅう 的 てき 元素 げんそ 就需要 よう 吸收 きゅうしゅう 能 のう 量 りょう 。