ChungKeung

這就是質能轉換，質量轉換成了能量。否則釋放的能量從哪裡來？

冬天烤火要燒木炭或者用電煤氣燒鍋爐供暖，燒掉的煤或者氣轉變成了熱量，那麼陽光暖烘烘的就不要消耗物質？

太陽中心每秒鐘有6億噸的氫轉化成了5.858億噸的氦，那麼還有420萬噸的物質哪兒去了呢？就是變成了能量。

這個能量有多大呢？根據愛因斯坦質能方程E=mc^2計算：

E=MC^2=420萬噸×299792458^2

約等於3.8×10^26J

這個能量相當於910億顆百萬噸級氫彈爆炸威力，或者1.3億億噸煤燃燒釋放的熱量。

我們地球只能接受到太陽能量的22億分之一，卻相當每秒鐘4000萬噸TNT爆炸當量，相當於3000多顆廣島原子彈同時爆炸的威力，或者1000萬座三峽大壩發電的總量。

這就是質能轉換的威力。太陽中心每時每刻都發生著氫核聚變，每天6億噸氫有420萬噸質量轉化為能量，420/600000000，氫核聚變質能轉換率很顯然只達到0.7%。

愛因斯坦質能方程的重大意義就在於，任何物質質量完全轉換成能量，就會爆發出巨大的威力。

過去，人類使用能源的方式，質能轉換率很差，因此效率很低。比如我們用煤燃燒所取得的質能轉換率只能達到0.0000028%，也就是說99.9999972%的物質變成廢渣廢氣浪費掉了，1噸煤只得到了0.028克質量的能量。

現在人類瞭解了核裂變和核聚變的質能轉換規律，核裂變的質能轉換率達到0.13%，而核聚變可以達到0.7%，是核裂變的5倍多。

但目前人類還只是掌握了可控核裂變的使用技術，比如核發電。對於核聚變還只能製造氫彈，一次性突然釋放能量的方式很難用於社會生活需要，因此攻克可控核聚變是世界上一個重要的科學課題。

人類已知質能轉換率最高的物質就是反物質，反物質與正物質結合就會瞬間湮滅，釋放出1+1的全部能量。

也就是說1克反物質與1克正物質一接觸就會釋放出2克質量的全部能量，最後化為烏有。這個100分之200的轉換率，是核聚變效率的約300倍。

這個能量有多大呢？1克反物質與1克正物質湮滅釋放的能量為180000000000KJ，相當於約43000噸TNT黃色炸藥的能量，約3顆多廣島原子彈的爆炸威力。

所以，太陽的物質“損失”不是真正的損失，而是轉化成了能量，所有物質都是這樣，在化學或者物理的轉化過程中，要麼轉化成了其他的物質，要麼轉化成了能量，這就是物質不滅和能量守恆的原理。

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答：核聚變中的質量虧損，轉化為了能量，能量的載體可以是生成物的動能，也可以是光子、中微子等等。

在恆星內部或者氫彈當中，氫元素聚變為氦元素，造成原子核質量虧損，然後按照質能方程釋放大量能量。

在相對論中，質量和能量是統一的，如果要說本質的話，能量才是物質的本質，質量只是能量的一種屬性而已，所以在廣義相對論場方程中，只有能量和動量，並沒有質量這一參數。

核反應中虧損的質量轉化為能量，能量是有載體的，比如氦-3的聚變反應為：

3He+3He→4He+2(1H)，ΔE=12.860MeV;

其中釋放的能量，會體現為生成物氦-4與氕核的動能，從而實現方程左右兩邊的質能守恆。

又比如氕核與氘核的聚變反應為：

2D+1H→3He+γ，ΔE=5.494MeV;

生成物氦-3會擁有一部分動能，然後光子本身也可以看成純能量，其中的能量轉化過程，就是原子核中的核能被釋放出來了。

每種原子的平均核子質量都不同，其中鐵-56的平均核子質量最低，當低於鐵的原子聚變，或者高於鐵的原子裂變時，都會發生質量虧損，從而釋放能量。

在核電廠中，反應堆正是利用水吸收了核反應釋放的能量，從而轉化為高溫高壓的水蒸汽，去推動汽輪機運行，然後源源不斷地輸出電能。

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核聚變反應中，都說是損失了質量，釋放能量，損失的質量源自哪裡？又去哪了？

在這個話題中其實有兩個問題，因為我們需要了解損失的這些質量去哪裡了？然後還要搞清楚這些質量來自哪裡？為什麼要倒過來說，因為根據現象尋找本質是我們科學的學習方法，咱不妨來了解下！

一、核聚變中，虧損的質量去哪了？

也許這個問題比較容易回答，因為愛因斯坦在1905年狹義相對論中的質能方程清楚的告訴了我們E=MC^2，損失的質量徹底轉換成了能量！這是原子核中所釋放的，人類最為嚮往的“無限能源”！

第一階段反應是：1H+1H→2D+e(+)+v，ΔE=1.442MeV，Q(v)=0.265MeV;

第二階段反應是：2D+1H→3He+γ，ΔE=5.494MeV

第三階段反應是：3H3He+3He→4He+2H，ΔE=12.860MeV

我們撇開太陽內部從氕到氦2，然後又衰變為氘核的緩慢過程，直接從氘元聚變成氦3比較容易理解，因為此時將會發生明顯的質子聚變的過程

2D+1H→3He

一個質子+一箇中子的氘和一個質子的氕聚變成了2個質子+一個質子的氦3

在整個過程中，質子數兩沒有改變，中子的數量也沒有改變，那麼為什麼會出現質量虧損？

原子核的質量總是小於組成它的質子的質量之和，兩者的質量差我們稱之為質量虧損！任何粒子的結合都伴隨著質量虧損，唯一的區別就是大小差異！比如一個電子和質子結合成氕時，質量僅有13.6eV/c^2！幾乎被忽略不計！

二、虧損的質量源自哪裡？

這可能是很多話題中沒有交代清楚的，總質量減少，但分配的質子與中子又不變，這是一個腦筋急轉彎嗎？其實並不是！

虧損的質量我們需要從夸克中需尋找答案！輕夸克的質量極小，甚至都可以忽略，但中子和質子是由輕夸克組成的質子和中子質量卻很大，這表明夸克之間的超強相互作用力已經在質子和中子的質量上體現出來了，因此質子與中子結合成原子核時，所虧損的部分質量就來自於夸克間的相互作用能的減少，因此總的質量將體現在原子核的總質量變化上！

星辰大海路上的種花家

核聚變反應的具體過程是這樣的: 例如兩個氘原子核，在高溫高壓下，相互靠近到一定程度，兩個氘核內的四個核子(兩個質子和兩個中子)在強核力的作用下相互吸引，兩個原子核的速度越來越快，最後發生碰撞結合成氦原子核，這樣兩個原子核在強核力作用下做功，它們之間的勢能(核能)轉化成了兩個原子核的動能。

兩個帶正電的原子核在加速運動過程中，產生變化的電場、變化的電場在遠處產生變化的磁場，變化的磁場在更遠處又產生變化的電場……，傳到遠處就是我們看到的光能。

由此可見，兩個氘原子核在聚變反應前共有兩個質子、兩個中子和兩個電子，反應後的一個氦原子核內仍然是兩個質子、兩個中子和核外的兩個電子，聚變反應前後質量好像沒有發生任何變化，只是在反應過程中把兩個氘核之間的勢能(核能)轉換成了動能，又轉換成了電磁能(即光能)輻射到了遠處。

不過兩個氘原子核在反應發生碰撞的一瞬間，動能巨大，會把兩個原子核的四個核子碰得粉碎，重新組合成氦核時，動能來不及轉化成光能，會產生大量的正負電子向四周飛速擴散，最後正負電子相互湮滅而繼續轉化成光能輻射到遠處。由此可見，正負電子湮滅而損失的質量就是核反應後物質虧損的質量。

太陽內部也是有質量虧損的，原因是太陽上除了輻射普通光線以外，每時每刻還輻射出大量的阿爾法射線，貝他射線和宇宙射線等，這些射線微粒都是有質量的，輻射出去後太陽的質量自然會虧損。但太陽的質量和太陽虧損的質量加起來，質量還是守恆的。

正負電子相互湮滅加速運動除了釋放出巨大的能量外，還有中微子、微中子、介子、超子等暗物質生成，這些暗物質人們是檢測不到質量的。

由此可見，質量守恆定律(即物質不滅定律)是不可推翻的。物質的質量和能量的相互轉化實質上是有部分物質的質量轉化成了人們無法檢測的暗物質。

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其實這個問題要細細說，會非常非常的複雜，而且也並不好理解。我儘量把這個過程說得簡單一點。

首先，我們要搞清楚一個問題，那就是在自然界存在四種作用力，分別是引力，強力，弱力，電磁力。

那太陽核聚變和那些作用有關係呢？

實際上，和這四種力都有關係。但最主要的是弱力和強力。其實早期，科學家就一直在思考為什麼太陽會持續不斷地輻射能量，有些人認為是燒煤的，結果一算髮現，如果是燒煤的，那太陽最多能燒5000年，還沒有人類文明史時間長呢？

後來，有個叫做愛丁頓的天文學家提出，太陽的燃燒是核聚變。

這個愛丁頓其實是愛因斯坦的死忠粉，還帶隊驗證過廣義相對論，而他受到狹義相對論中質能方程的啟發。

想到了如果太陽內是發生核聚變這一切就好解釋了。結果呢？他“幾乎”失敗了，因為當時的理論物理學家覺得這個主意很不靠譜，因為核聚變所需要的溫度特別特別高，而恆星的內部絕不可能達到這個問題。所以，愛丁頓的想法並沒有引起足夠的重視。

後來，隨著理論物理學的發展，尤其是量子力學的發展，科學家發現了“量子隧穿效應”，簡單來說就是，反應雖然需要達到這麼高的溫度，但由於“量子隧穿效應”的存在，就有一定概率在不需要達到這麼高的溫度下也發生反應。

那到底是什麼一直在阻擋發生核反應呢？

這其實我們要搞清楚太陽內部的情況，我們都知道太陽大部分都是氫元素。但是對於我們來說，氫原子就是一個質子加一個電子。但實際上，太陽是以一種等離子的狀態存在的。具體什麼意思呢？

就是說，太陽內部並沒有存在的一個質子+一個電子的組合，其中質子和電子都是流離狀態的。

所以，質子和質子之間都是帶正電的，那就會同性相斥，這其實是一種叫做庫侖力的存在。而核聚變恰恰要求的是讓質子和質子之間合併成一個原子核。（至少，這是第一步）所以，就需要克服同性相斥的庫侖力。要知道溫度的本質其實是微觀粒子的熱運動，也就是說，溫度越高，質子，電子們動得越歡快，能量也越大，這就會增加一定的機會撞到一起。

那太陽內部的核聚變到底是如何反應的呢？

其實一共有兩款，一種叫做質子-質子反應。

另外一種叫做碳氮氧循環。

由於篇幅的關係，我們主要解釋質子-質子反應鏈。

第一階段

其實第一步金星的就是兩個質子（氫原子核）融合，同時其中一個質子會釋放出一個正電子和一箇中微子，稱為一箇中子。

1H +1H→ 2H+e+ +νe

所以，這時候的形成就是一個質子，一箇中子的氘核。生成的正電子會和流離的電子發生湮滅，輻射出能量。所以，其實在這個環境損失的能量來自於正電子和電子的湮滅以及中微子。

不過，其實第一個步驟特別特別慢，這是因為一個質子要變成一箇中子的過程是十分慢的，大概是10^9年才能實現，不過好在太陽夠大，遊離的質子夠多，所以反應才得以發生。不過太陽之所以燃燒得這麼慢，其實和這個原因也是分不開的。

第二階段

第二步，其實就是氘核和一個氫核融合。

2H+1H→3He+γ ，這個過程也會損失部分質量，這部分質量轉化為了能量，也就是 γ射線。之所以會損失部分質量，主要來自於強力。

第三階段

其實最後的階段，有好幾條路徑，它們的目的只有一個，那就是生成氦-4。

第一條路徑是：2個氦-3核形成一個氦-4核以及兩個氫核。

He-3 + He-3 → He-4 + H + H +12.86MeV

e+ +e−→2γ

第二條路徑是：一個氦-3核和一個氦-4核融合經過一系列的融合，當中還有電子和氫核加入，最終融合成兩個氦-4核，釋放出γ射線核中微子。

He-3 + He-4 → Be-7 + γ Be-7 + e− → Li-7 + νe Li-7 + H →\tHe-4 + He-4

第三條路經是：一個氦-3核和一個氦-4核經過一系列的融合，當中還有氫核加入，最終生成2個氦-4核。第三條路徑和第二條路徑的區別在於中間產物是不同的。

He-3 + He-4 → Be-7 + γ Be-7 + H → B-8 + γ B-8 → Be-8 + e+ + νe Be-8 ↔ He-4 + He-4

三條路徑的不同之處在於溫度。比如：第一條路徑所需的溫度是1000萬至14000開爾文；而第二條路徑所需的溫度是在1400萬至2300萬開爾文。而第三條路徑所需的溫度要求在2300萬開爾文以上。太陽其實主要依靠前兩條路徑。

在這整個過程中，我們只要比較一下氦-4核和4個氫核的質量，就會發現，大概減少了0.7%的質量。這些質量轉變成了能量。在各個反應過程中，以γ射線以及中微子的形式釋放出去。一個完整的質子-質子反應鏈，可以得到26.73MeV的能量。而γ射線主要是有兩個來源，一個是正電子和電子的湮滅，一個是新原子核保持穩定的狀態會釋放出一部分能量。

其實，我們所知道的α衰變、β衰變過程當中，都有伴隨著γ射線，其實就是新原子核為了穩定所釋放出的能量。

如果用粒子物理標準模型來解釋恆星核聚變的質量損失。

可以這麼理解，膠子是通過希格斯機制獲得質量的，就拿質子來說，構成質子的是三個夸克，但這三個夸克的質量僅為質子質量的百分之一左右。剩餘接近99%的質量其實就來自於傳遞強相互作用的膠子所束縛的能量。在形成新的原子核，膠子所束縛的質量會發生改變，這部分質量轉化成了能量釋放出去。

所以，其實關於恆星內部的核聚變反應機制，並非是天文學家最先提出來的，而是一群粒子物理學家。上面講述的質子-質子反應鏈，是粒子物理學家漢斯貝特在1938年提出的，並且在1967年獲得了諾貝爾物理學獎。

而恆星核聚變的另外一種方式碳氮氧循環，分別是卡爾·馮·魏茨澤克在1938年，漢斯貝特在1939年分別獨立提出來的。

最後補充一句，這裡為了方便理解，所以才使用“質量轉化為能量”的說法。實際上，根據狹義相對論，質量和能量是一回事，只是靜質量轉化為了動質量。所以，所謂的“質量虧損”也是靜質量發生了虧損。

鍾銘聊科學

核聚變反應中，損失的質量轉化為了能量。

我們先看一下核聚變反應方程，如下圖

一個氘與一個氚結合成一個氦核並釋放一箇中子，這個反應中，反應前氘與氚的總質量要大於反應後氦與中子的總質量，即發生了質量虧損。

那麼，損失的這部分質量跑哪裡去了，自然界的定律不允許質量平白無故消失，但我們發現，伴隨著反應產生的，除了氦核與中子外，還有大量的能量，那麼問題就解決了，損失的質量轉化成了能量。

但是在經典力學中，質量和能量是兩個完全不相同的概念，一定質量的物質可以具有多種能量形式，如動能、勢能、內能，並且這些能量的數量級可以不同，而質量和能量之間，並無一個完整的轉化體系。

那麼，核聚變反應中損失的質量是如何轉化成為能量的呢？

解決這一問題的是愛因斯坦。愛因斯坦狹義相對論中，對能量的概念進行了推廣，並且質量和能量之間有確切的轉化關係，公式如下

這個公式被稱之為愛因斯坦質能方程，其中m是質量，c是光速，E是能量。

核聚變、核裂變反應中產生的能量，就是根據這個方程計算出來的。

老朱物理課堂

愛因斯坦的質能關係式E=mc²揭示了物質質量和能量之間的數量和轉化關係，通過定量計算科學數據，成功指導了核變反應等科學試驗實踐。的確，人們公認核聚變反應釋放能量是質量轉化為能量的典型例子。但人們發現核聚變放出的大量能量並沒有使參入核聚變反應的核子數量和種類減少，所以很多人質疑這些能量並不是來自於核子的質量，而是來自於別的地方，否則這些損失的質量是誰的？為了解釋這個問題，我們先來深入地解讀一下質能關係。而在正確解讀之前，我們先來看一看人們對此的誤解。

有人對質能關係有誤解，對質能關係式有誤解

有一部分人把質量看成是物質的主要特徵，把物質（質量）和能量看成是“非此即彼”的對立關係，認為物質是物質，能量是能量。要麼是物質（質量）轉化為能量，要麼是能量轉化為質量。把質能關係式當成只是一個轉化關係（或者乾脆不認可這個關係式）。即使物質中有時蘊含能量，也認為這些能量是單獨的、沒有質量的。所以對核聚變釋放出的巨大能量總要找出相對應的轉化物質，一旦發現核子的種類和數量並沒有消失和減少，就要質疑轉化為能量的物質在哪。

還有一部分人對質能關係理解的正相反，他們把質量和能量看作是物質的一體兩面，即物質同時既有質量，又有能量。只不能過有時表現為質量，有時表現為能量。不存在單獨的質量，也不存在單獨的能量。質能關係式是物質不同表現方式的轉化數量關係，持這種觀點的人理解不了核聚變產生的巨大能量到底是個什麼存在？或者說他們是找不到核聚變巨大能量的質量對應體的。他們並沒有把能量看作是物質。

質能關係的正確解讀

首先應該說質量和能量都是物質的表現形式和屬性，不但不能把能量和物質對立割裂開來，而且能量還是物質的根本屬性（宇宙誕生“前”就存在，可以說宇宙所有的一切都是從能量開始，能量是物質即客觀實在性的最原始體現），質量只是物質的特殊屬性（是我們這個宇宙誕生以後才有的）。能量既可以和質量共存，又能單獨存在，可質量不行。一個物質可以沒有質量，但不能沒有能量。比如說光子和膠子，它們的靜質量為0，但它們有能量，它們是純能量子。還有電磁場和時空本身，它們都沒有質量，但它們都有能量。所以說既不能把能量和質量簡單地說成是物質的一體兩面，又不能把質量看成是與能量絕無關係的單獨存在。正確地理解是質量和能量有密切的內在關係，質能之間可以相互“轉化”，由於能量一直都在，質能之間的轉化說到底還是能量之間的轉化。當然數量轉化關係符合質能關係式。好了釐清了這個關係，我們才能正確地回答本題。

對本題的解答

核聚變反應釋放出巨大的能量，質量出現“虧損”，這個“質量虧損”不是虧損在核子（質子和中子）種類的消失和數量的減少，核子的種類和各自的數量並沒有減少，減少的是構成核子的夸克之間起傳遞強相互作用的膠子所形成的束縛質量。我們知道質子和中子都是各由三個夸克組成，

一個質子的質量為938MeV/C²，而其中三個價夸克的質量僅為11MeV/C²，只佔質子質量1/100多一點，其餘的質量全部來自於三個夸克之間以及核子之間起傳遞強相互作用的“膠子”所形成的束縛質量。

物原愛牛毛1

要解答這個問題，首先要了解一個常用的物理量---質量（mass），質量在中文中是個多義詞，當然人們最直觀的瞭解就是某個物體有多重。物理學發展到今天，有許多不太直觀的名詞，也比較抽象。

微說科學

能量與質量是兩個不同的物理參量，前者是關於粒子運動能力的度量，後者則是被封閉的粒子關於其空間效應的度量。所以，兩者既具有共同的本質，又具有一定的區別，從而在一定的條件下它們是可以相互轉化的。

能量與質量的共同本質在於它們都是關於粒子運動的描述，兩者的區別則在於被描述粒子的存在形式是不同的，前者是開放的，後者是封閉的。

由於普朗克常數h的普遍存在，說明在我們的宇宙中存在著不可再分的最小粒子即量子，所以能量是不連續的，其最為基本的能量單元是關於量子的運動能力的描述。與此相對應的，則是由高能量子組成的封閉體系即物質，其質量是被封閉的量子關於其空間效應的度量。

所謂核聚變，就是由數個較小的封閉體系聚合為一個更大的封閉體系。在這一聚合的過程中，有部分原來被封閉的能量即質量轉變為開放的量子運動即能量。這實際上是一個熵增的過程，這也是為什麼核聚變得以實現的根本原因。

例如，太陽🌞之所以能夠輻射☢️熱能，就是因為其中所含有的氫原子，每四個可以聚合為一個氦原子。在這一聚合的過程中，約有百分之0.7的質量轉化為能量，並以輻射的形式釋放到了太空中。

總之，宇宙是由不可再分的最小粒子即量子構成的，空間、能量和質量都只是量子存在的不同形式，因而是可以相互轉化的。雖然，量子的聚合，是能量轉化為質量的過程；但是，量子的封閉體系的聚合即所謂的核聚變，卻又是由部分的質量轉化為能量的過程。在這一聚合的過程中，有部分原來被封閉的能量，以輻射的形式被釋放了出來。

淡漠乾坤

什麼是能量？能量就是物質的運動變化，聽起來繞嘴，其實就是如此。能量是不能離開物質單獨存在的，在核聚變中，所釋放的能量實際上還是物質的，即粒子、射線，它們以物質運動變化的形式釋放出來，所以質量減少了。這種減少，不是像麵包掉麵包屑那樣，而是所分離（損失）出的物質以另一種物質形態的方式出現的。比如說a、d二種物質聚變成c物質，釋放出一個粒子n，而通常人們把釋放的n粒子說成能量，其實n粒子也是物質體，而不是純能量，之所以把n看作能量，是因為這個n粒子的運動速度相對較快，而運動速度快慢正是能量的表現（比如同等質量的物體，一個是石頭，一個是子彈）。聚變前後，a＋b的質量與c＋n的質量是相等的，並沒有質量損失。

最後再說明一下，一個物體A的質量為m1時，其運動速度為v1，當運動速度變化為v2時，其質量為m2，且m2＞m1。若另一個物體B的質量為m1，其運動速度為v2時，這個物體B與物體A在運動速度為v1的狀態下，二個物體所包含的能量是一樣的，因此根據愛因斯坦質能方程可知，同質量的二個物體，與它的運動狀態無關，只與質量的大小和光速的平方相關（質能方程）。那麼，就如同上面的例子，人們認為子彈的能量要比石頭的能量大，為什麼？這是因為子彈的釋放能量較大（而不是包含能量），就是說，當同等質量的石頭與子彈，由於子彈速度大，在於其它物體作用時，子彈釋放的能量要比石頭大。包含能量是物體本身的能量，而釋放能量是物體之間相互作用時所釋放的能量。而人們只關心釋放能量，比如說核聚變、核裂變的能量很大，而實際上一公斤棉花與一公斤放射鈾所包含的能量是相等的，都是mcc。假設一個平面的二個座標軸都是光速（二個橫值），而原點的垂直方向是質量，那麼物體的包含能量就是一個“體積”。那麼釋放能量呢？釋放能量就是物體的質量m乘以其運動速度v再乘以1。而光子的所釋放的能量為光子的運動質量乘以光速c再乘以1。可見光子的釋放能量與包含能量相比較，也是微不足道的，那麼，當光子碰撞物體釋放能量後，其餘的mc*（c—1）能量哪裡去了？它們變成了其它物質形態。（首）

關鍵字: 核物理 能量 科學