質能關係

質能關係即為質量與能量之間的當量關係。在經典物理學中，質量和能量是兩個完全不同的概念，它們之間沒有確定的當量關係，一定質量的物體可以具有不同的能量；能量概念也比較局限，力學中有動能、勢能等。

在狹義相對論中，能量概念有了推廣，質量和能量有確定的當量關係，物體的質量為m，則相應的能量為 E=mc²。

基本介紹

• 中文名：質能關係
• 外文名：mass-energy relation
• 表達式：E=mc^2
• 提出者：愛因斯坦
• 套用學科：物理

意義

質能關係是狹義相對論的最重要的結果。質能關係將物理學中原來不相干的質量守恆和能量守恆統一起來。在通常的反應中，系統釋放出能量，系統內部的質量減小，減小的量是微乎其微的，與其靜質量相比小得無法觀測。但在核反應中，這一減小量則明顯地表現出來。在裂變反應和聚變反應中，系統的靜質量可觀地改變，反應釋放巨大能量。質能關係是核能釋放的理論基礎。

質能關係的發現的重大意義在於人們用這一關係解釋質量虧損時，發現了原子核內蘊藏著巨大的能量(結合能)，從而看到了利用原子核能的可能性和重要性。

解釋

物體的總質量與其總能量之間的關係，用公式表述為E=mc²，稱質能關係式。式中E表示物體的總能量，m表示物體的總質量，c為光在真空中的速度。質能關係是愛因斯坦在1905年提出的狹義相對論的一個重要結論，核物理及粒子物理的大量實驗充分證實其正確性。狹義相對論提出，對於某一參照系，物體的總質量m=m₀+m_k，式中m₀為物體的靜止質量，它是與物體運動無關的恆量，m_k為物體由於運動而具有的質量，稱為動質量，它與物體運動速度有關。總質量m又稱相對論質量。該式表明，由於相對論效應，物體運動時，其總質量隨速度增大而增大。物體的動質量m_k顯然，該式只對速度很大的物體才有意義。因為當v<<c時。m_k≈0，m≈m_o，此時物體的總質量m可看作與運動速度v無關的一個恆量，這便是經典力學的情況。按照質能關係，E=mc²=(mo+mk)c²=m_oc十m_kc=E_o+Ek，式中Eo=m_oc稱為物體的固有能量(也稱為靜止能量)；Ek=m_kc稱為物體的動能。

推論

由質能關係可得出下面結論：

①一個質量勾m的物體，必定聯繫著mc的能量. 一個能量為E的物體，必定聯繫著E/c²的質量。物體所蘊藏的不論哪一種形式的能量增加了，其質量也必定增加。由於任何物體具有的質量和能量之間只差一個普適常數——真空中光速的平方(即m與E之間存在著嚴格的正比關係)，所以物體的質量和它所蘊藏的能量可以互相量度。據此，在核物理及粒子物理學中，常把質量的單位和能量的單位取得相同。這樣，光子的靜質量為零，電子的靜質量為(0.511 003 4±0.000 0014)兆電子伏，質子的質量為(938.279 6±0.002 7)兆電子伏。現在實驗發現最重的粒子質量約為95600兆電子伏。

②一個物體的總質量m發生了△m的變化，則必伴隨著有能量的變化△E，根據質能關係式E=mc²，再根據光速不變原理，可以得刮關式式△E=△m，此式稱為質能虧損關係式，即能量的改變和質量的改變成正比，它是質能關係的又一種表述。

③在速度不太大時(v《c)，便得到經典公式Ek=1/2m_ov²

驗證

用實驗檢驗質能關係是通過測量能量(及質量)的轉化過程來實現的。在核反應中，這種差別明顯地表現出來。在重核裂變和輕核聚變等的核反應中釋放出巨大的能量，非常精確地證明了質能關係的正確性。例如：在鐳衰變過程中，其質量變化量△m=226.025 36u-226.020 133u=0.005 227u(u為原子質量單位，1u=1.660 32×10千克)。

根據愛因斯坦質能關係式△E=△mc²，得△E=0.005 227×1.660 32×10×(3×10)焦=4.868兆電子伏。實際測得鐳衰變時放出的α粒子的動能也恰為4.868兆電子伏。由於任何靜止的物體的一定質量都包含著與其相應的靜止能量，鐳衰變過程就是把它虧損的這部分靜止質量所聯繫的能量以α粒子動能的形式釋放出來。值得注意的是，質能關係僅僅表明質量和能量之間具有一定的數量關係，而絕不能說質量就是能量，或能量就是質量，也絕不能認為質量可以變為能量或能量可以變為質量。事實上，在任何過程中，質量和能量都各自守恆。質量和能量都是物質運動的基本屬性，是不可分割的。