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为何一斤盐溶于一斤水,很难得到两斤总重?爱因斯坦:质量即能量

常驻编辑 科普中国 2022-07-11 爱因斯坦   硝酸银   能量   质量   守恒定律   热量   科学家   物质   发生   环境

如果将一斤水加到一斤盐中,我们得到的总重是多少?P0d拜客生活常识网

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有人说是两斤,有人说比两斤多,还有人说比两斤少,总之一时间争论不休。P0d拜客生活常识网

于是大家纷纷做实验想要得到答案,其中一个实验由于设备有限,只能将一杯50克的水放到50克的盐中,结果你猜怎么着?得到的总重竟然是101克P0d拜客生活常识网

接下来咱们就来了解一下,为何一斤盐溶于一斤水,很难得到两斤总重?如果用爱因斯坦的话来回答,那就是质量即能量P0d拜客生活常识网

质量守恒定律P0d拜客生活常识网

从化学反应上看

咱们都知道,当物质发生化学反应时,会遵守一个规律,那就是质量守恒定律P0d拜客生活常识网

也就是说,如果将一斤水放到一斤盐中,我们得到的总重量就应该是两斤。P0d拜客生活常识网

但是很显然,我们通过实验,似乎可以否定这一结论,难道质量守恒是错的吗?P0d拜客生活常识网

关于这一定律,最初的发现者是俄国科学家罗蒙诺索夫,他在1756年,将放在密闭的容器中燃烧,随后对容器和容物内的物质的总质量进行观测。P0d拜客生活常识网

罗蒙诺索夫P0d拜客生活常识网

结果发现,得到的质量和燃烧前并没有发生变化,后经过反复实验,得到的都是一样的结果,于是他认为在化学变化中,物质的质量是守恒的P0d拜客生活常识网

后来经过其他科学家反复实验,得到的都是一样的答案,但是当时有人提出,在之前的实验中,测量的工具和技术都很落后,因此肯定存在误差。P0d拜客生活常识网

爱因斯坦的质能方程P0d拜客生活常识网

随后爱因斯坦又提出狭义相对论,并给出了质能关系公式(E=mc2),其中E是能量,m是质量,c是光速。P0d拜客生活常识网

爱因斯坦和质能方程P0d拜客生活常识网

在他看来,孤立的系统中,物质可以转化为辐射能,而辐射能也可以转变为物质,在这个过程中,物质的状态可以发生变化,但是不代表消失了。P0d拜客生活常识网

也就是说,所有粒子的相对论动能与静能之和,可以在相互作用的过程中,保持不变。P0d拜客生活常识网

很多科学家基于这一问题进行研究,结果发现,很多重元素的原子核都不稳定,它们会发生衰变过程P0d拜客生活常识网

元素P0d拜客生活常识网

在自然环境中,这些重元素会衰变成比自己轻的元素,由此循环,直到衰变为稳定的铅元素P0d拜客生活常识网

而科学家还发现,不管是经历α衰变还是β衰变,产生的物质质量会比衰变前的物质略微少一些。P0d拜客生活常识网

这显然和科学家最初认定的质量守恒,出现了偏差。P0d拜客生活常识网

如果用爱因斯坦的质能方程来解释,即便该物质的粒子种类和数量没有发生变化,但是当它进行化学反应时,就会释放和吸收热量P0d拜客生活常识网

元素衰变P0d拜客生活常识网

这些释放出的热量,就是来自分子或原子间化学键储存的能量。P0d拜客生活常识网

而得到的热量,最终也会储存在化学键中。P0d拜客生活常识网

于是在二十世纪初,科学家再次进行实验,当时的精密测量技术已经得到高度发展。P0d拜客生活常识网

他们发现原子核裂变可以产生巨大的能量,于是科学家将1 000克硝化甘油爆炸之后,得到的能量为8.0 10^6 JP0d拜客生活常识网

如果用质能关系公式计算,那么产生的能量质量应该是8.9 10^-8 gP0d拜客生活常识网

原子核裂变P0d拜客生活常识网

那么这样来看,该物质在前后发生变化后,其产生的质量差几乎可以忽略不计,即便是用现在的实验技术,也很难测算出来。P0d拜客生活常识网

所以在经过这些实验验证后,人们才将原本的质量守恒和能量守恒,合并在一起,形成了

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