初中常用相对原子质量_为什么３５Ｃｌ的相对原子质量小于它的质量数？

时间：2019-02-07 03:22:07　来源：雅意学习网本文已影响人

　　文章编号：1005－6629(2009)02－0007－02中图分类号：G633.8文献标识码：B 　　　　1 问题的提出　　　　上海科技出版社出版的拓展型课程《化学》(试验本)p.7指出“氯元素在自然界中有两种同位素35Cl和37Cl，它们的丰度分别为75.77%和24.23%，两种同位素的相对原子质量分别为34.969和36.966。”
　　根据质子的相对质量1.0072，中子的相对质量1.0086。在忽略电子质量的情况下，35Cl相对原子质量应为35.2772。为什么计算结果与35Cl同位素的相对原子质量34.969不相符合呢？为什么35Cl相对原子质量小于其质量数呢？
　　这是一位中学生提出的问题，这个问题问得很好。其实37Cl的相对原子质量也小于其质量数。那么，是不是其他元素的相对原子质量也都小于其质量数呢？
　　
　　2 质量亏损
　　
　　已知原子核由质子(p)和中子(n)组成，质子和中子统称为核子(nucleon)。原子核内的质子数即原子序数，用Z表示，原子核的质量数用A表示，原子核内的中子数则为(A-Z)。很早以前人们就发现，通过精确实验测得的原子核的质量总是比组成该原子核的全部核子的质量总和要小些。
　　Δm=Z・mp+(A-Z)・mn-mz,A>0
　　组成原子核的核子质量总和与原子核的质量之间的这种质量差Δm，称为原子核的质量亏损(mass defect)。
　　为什么核子结合成原子核时会有质量亏损呢？我们一起来分析核子间的相互作用：质子和中子都有质量，有质量就有万有引力。然而质子和中子的质量是那么的微小，所以它们之间的万有引力是微不足道的。由电磁相互作用所造成的质子之间的静电斥力要比万有引力强1037倍，这将使原子核处于极不稳定的状态。但是，事实恰恰相反，各种稳定同位素的原子核在自然界中稳定存在。质子不仅没有随便飞出核外，相反地还和中子紧密地结合在一起，这就意味着核子间必定还有另外一种远比电磁力强得多的吸引力。由于中子不带电荷，因此这种“力”必定不同于电磁相互作用力，当然更不同于微小的万有引力。它被称为“核力”，比电磁相互作用强130倍左右，是目前所知的最强的作用力。万有引力和电磁力都是长程相互作用力，而核力是短程力，随着核子间距离增加，核力将迅速减弱，一旦超出核半径，核力就很快下降到零。原子核正是依靠核力将核子紧紧地结合在一起。
　　当核子间处在一定距离范围内时，相互吸引而彼此靠近，与此同时，因势能变小而释放能量。孤立核子组成原子核时所放出的能量称为原子核的结合能。(binding energy)结合能越大，表示这个核结合得越牢固。
　　质量和能量是物质同时具有的两种属性。任何具有一定质量的物质必然与一定的能量相联系。爱因斯坦质能关系式:
　　E=mc2
　　定量表示了质量和能量的关系。这就是说，如果物质的质量改变了，那么它相应的能量也会发生改变。同样，任何有能量变化的过程总是伴随着质量的变化。可见，核子结合成原子核放出能量必然导致原子核质量的亏损。因此， H以外，所有核素的相对原子质量都小于其质量数。
　　
　　3核能利用的基本原理
　　
　　原子核的质量亏损不仅是核化学中的一个基本概念，而且还涉及核能利用的基本原理。
　　原子核的结合能与核的质量数(即核子数)的比值称为“核子的平均结合能”。不同的原子核有不同的平均结合能，其数值可相差好几倍。如果以质量数为横坐标，对应的平均结合能为纵坐标，便可得到核的平均结合能曲线。(见图1)
　　
　　由单个核子所组成的氢核(一个质子)，其结合能为零。质量数低于20的核，它们的平均结合能变化比较复杂，并出现了几个峰值。其中氦、碳、氮和氧的平均结合能峰值分别为7.08、7.69、7.48和7.98兆电子伏。随着质量数的增加，在40-100之间的最大平均结合能约为8.6兆电子伏。当质量数再增大时其平均结合能又逐渐下降，直到铀核以后降为7.6兆电子伏左右。这就是说，质量数为中等数值的原子核，核子的平均结合能较大；而质量数较小的轻核区，或质量数较大的重核区，核子的平均结合能都较小。
　　重原子核的分裂现象称为核裂变，该现象是哈恩�O.Hahn�和斯特拉斯曼�F.Strassman�于1938年首次发现。他们用中子轰击铀靶时，发现铀核俘获中子后会分裂成质量差不多的两块碎片，同时放出数个中子和巨大的能量。裂变前铀核的平均结合能为7.6MeV，而裂变后的中等核，其平均结合能为8.6 MeV，两者相差1.0MeV。铀核有235个核子，扣除释放出数个中子的能量后，即可得200MeV左右的裂变能。可见重核裂变会释放出很大的能量，这就是反应堆和原子弹研制的理论基础。
　　两个或两个以上的轻原子核聚合成较重、较稳定的核的过程称为核聚变。太阳质量的73%是氢，26%是氦，其他元素只有1%，太阳能量最基本的来源就是氢聚变成氦的反应。太阳中的总聚变反应可简写成：
　　
　　通过计算可知，该反应是平均结合能变化最大的轻核聚变反应，其每个核子平均释放出的能量约为6.7MeV，这相当于U-235裂变时每个核子放出的能量0.85MeV的8倍。由于核聚变需要在极高温度(大于106K)的条件下才能实现，故又称为“热核反应”。
　　
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