对“结合能、比结合能、质能方程、质量亏损”的正确认识

顾红洁　王益华

【摘 要】原子核物理中的四个基本概念：“结合能、比结合能、质能方程、质量亏损”，大纲安排的课时少，教学效果不理想。如何在有限时间内高效率完成教学任务呢？我在教学中做了一些尝试，愿与同仁共勉。

【关键词】结合能；比结合能；质能方程；质量亏损；认识

“结合能、比结合能、质能方程、质量亏损”这四个概念是人教版3-5教材中原子核物理部分的教学内容。要在规定的一课时内完成此教学任务，实属不易。笔者对比问题提出了三点建议，供读者参考。

1.“结合能”与“比结合能”

1.1结合能（核结合能）

“原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能（binding energy）”——摘自人教版高中物理选修3-5教科书。

教师要给学生明确结合能的定义：将若干个核子结合成原子核放出的能量或将原子核的核子全部分散开来所需的能量，它是原子核的重要性质之一。重点突出“放出”和“所需”二词，由此看出：结合能是伴随着原子核的结合或拆分过程才出现的，并不是原子核所拥有的能量。过程中所放出的核能E不能称为氡核的结合能，解释如下：①氡核拆分成彼此独立的核子吸收能量E1，这是氡核的所有核子的结合能；②氡的所有核子分开后，再由 84个质子和134个中子重新结合成钋核放出能量E2，这是钋核所有核子的结合能；③2个质子和2个中子结合成氦核放出能量E3，这是氦核所有核子的结合能，而核反应过程的总能量关系为：E=E1-E2-E3，显然是核反应过程中吸收和放出的总能量差。

1.2比结合能

“组成原子核的核子越多，它的结合能就越高。因此，有意义的是它的结合能与核子数之比，称做比结合能（specific binding energy），也叫平均结合能。比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。”——摘自人教版高中物理选修3-5教科书。

为什么在“结合能”的基础之上还要引入“比结合能”这一概念，对此教材没有解释，这恰是学生不能接受的。教学中我们不妨用经济学概念“GDP”与“人均GDP”的关系作类比。我们国家是经济大国，2014年中国GDP总量达10.4万亿美元，列全球第二。但不是经济强国，2014年中国人均GDP只有6747美元，仅列全球第84。据此，“结合能”与“比结合能”的关系不言自明，而且印象深刻。学生接受“比结合能是原子核稳定程度的量度，比结合能越大，核越稳定。”自然水到渠成。

2.“质能方程”

“相对论另一个重要结论就是大家很熟悉的爱因斯坦质能方程“E=mc2，式中m是物体的质量，E是它具有的能量。”——摘自人教版高中物理选修3-4教科书。别无介绍，可谓“点到即止”。

鉴于此，不妨做这样的简单描述：从方程可看出能量与质量之间只是相差一个系数，两者都反映物体的属性，彼此间不存在转换关系。裂变与聚变反应中出现的质量亏损，可以用来计算放出核能的大小，放出的能量和亏损的静质量对应的，亏损的质量并没有消失，只是以场的形式存在着。核反应前后的总质量还是守恒的。对待这一内容更需要我们教师的合理定位：重在应用，而不在其理。这一内容已超出正常中学生的认知水平，也不同于先前所学牛顿力学体系内容。教师一味地做过多介绍，可能会适得其反。

3.“质量数守恒”与“质量亏损”

3.1质量数守恒

由于原子的实际质量很小，如：一个氢原子的实际质量为1.674x10-27千克。若直接用它的实际质量来计算很不方便。因此国际上规定用相对原子质量表示原子之间的质量关系。某元素的相对原子质量是其各种同位素相对原子质量的加权平均值。而任何一种原子的相对原子质量（Ar）都是其质量与一个C12原子质量的1/12的比值，称为该原子的相对原子质量。如：氢原子的相对原子质量为1.008。质量数是原子核内所有质子和中子的相对质量取近似整数值相加而得到的数值，而一个质子或一个中子的质量数都非常接近整数1，所以任何原子核中的质量数（A）=质子数（Z）+中子数（N），它一定是整数。质量数只能近似表示原子的质量相对大小。质量数守恒是核反应中的一个守恒定律，表明核反应过程中质子数和中子数在反应过程中保持不变，是配平核反应方程的一个重要依据。

3.2质量亏损

“质量亏损”是指原子核的质量总是比组成原子核的单个核子的总质量小，这是因为当质子和中子组成原子核时必须放出核能。根据相对论理论，一定的质量是与一定的能量相联系的。释放出结合能后，原子核的质量小于所有核子的总质量。

核物理中，我们讲的更多的是三个守恒，即：①电荷，②质量数（核子数），③总质量和联系的总能量（包括静止质量和联系的静止能量）。正确理解了上述内容，会发现将“质量数守恒”与“质量亏损”作谁是谁非的比较毫无科学意义。

教学中教师要突出对物理基本概念、规律的讲解，经常要具体到其中的每个字、词，绝不能含糊其辞。也应分析学情：学生有哪些学前概念，容易在哪里理解出错，可能与哪些概念混淆等。教学过程中主动出击，一步到位，不留隐患。毕竟学习物理的关键重在理解与应用，靠照搬硬套，死记硬背是领略不到物理的奥妙的。

【参考文献】

[1]陆光华.走出“结合能、比结合能”认识的误区[J].物理教师，2014（11）

【作者单位】

顾红洁（1978.12-）女，籍贯：苏州太仓。毕业学校，苏州大学；学历：本科；现职称：中学一级教师。

（作者单位：1.苏州市振华中学校；2.苏州市第三中学校）