十年磨一劍

最近有學生問到：課本用愛因斯坦的質能互換理論解釋為什麼核反應可以產生巨大的能量，但從鈾-235的核分裂反應式，卻看不出來反應前後質量有任何變化，因為反應式中反應前後，質子數總和與中子數總和並沒有減少，既然質子數沒有減少，反應式中亦無電荷數變化，可見電子數也沒有減少，那麼鈾-235的核分裂反應減少的究竟是那一部分的質量？

U-235核分裂反應式   

這個問題在中學課本中僅是告訴學生：核反應不遵守一般化學反應必須遵守的質量守恆定律，核分裂或核融合反應之後總質量會減少，減少的質量轉變成能量釋放出來，至於減少的是那一部分的質量，大都帶過不談。

要探討這個問題，我們應該按照U-235核分裂反應式實際算算看，  是不是真的質量有改變。要計算之前我們先把一些基本的先備知識準備好。

首先原子質量常用的單位是amu(atomic mass unit)，1961年IUPAC以C-12為標準，1個C-12原子質量=12amu

從網路資料查到以amu為單位的反應式中各元素原子質量值(資料來源http://www.wolframalpha.com)

U-235的原子質量為235.043929918(amu)

換算成kg為單位 =kg

Ba-144的原子質量為143.922952853(amu)

換算成kg為單位 =kg

Kr-89的原子質量為88.917630581(amu)

換算成kg為單位 =kg

1個中子的質量

反應物總質量(U-235 + 1 neutron)-產物總質量(Ba-144 + Kr-89 + 3 neutrons) = kg

反應後質量的確有減少，這減少的部分究竟是從何而來？

話說1907年愛因斯坦在發表的論文中提出質能互換(E=mc²  )理論，遭致不少實證主義者(堅信眼見為憑的信仰者)的批評，但是受到此理論的影響，後來有原子彈的發明與核能發電的應用，證實愛因斯坦質能互換的理論，但是要證明此理論並不容易，首先如何去測量這些核反應的粒子質量變化，要偵測這些肉眼看不見的粒子原本就不易，還要測量其質量的微量的變化更是困難，如何測量這部分不在本文討論的範疇，這個牽涉到太多的內容。目前關於核反應的測定是被大部分的科學家認可的，這樣的測量結果如何去解釋？

從U-235核分裂反應式    看來，基本上是一個大的原子在中子的撞擊下，分成幾個碎片()，但是這幾個碎片的質量總和又不等於原來的大原子與中子的質量和。

簡單的反向推論：如果我要把1個Ba-144原子、1個Kr-89原子及2個中子組成一個U-235，是必須再加入部分東西，質量才可能相等於1個U-235，而這個東西是甚麼？

仔細思考可能的情況，有這三種狀況：

1.會不會是原子中有尚未被觀察到具有質量的粒子，本來在U-235中，但是當U-235分裂成1個Ba-144原子、1個Kr-89原子及2個中子時，它同時跑出來只是沒有被偵測到，所以反應後質量有減少，而能量的釋放與質量無關。

2.或者是在U-235原子中具有質量組成的粒子(不是中子、質子、電子)在核反應的過程中消失，轉變成能量釋放出來。

3.或者1個Ba-144原子、1個Kr-89原子及2個中子(包括未提及之粒子)與一個U-235原子並沒有任何粒子種類數目的差異，只是兩者有能量差異，1個U-235比分散的1個Ba-144原子、1個Kr-89原子及2個中子(包括未提及之粒子)的能量高，而此能量的差異以質量的形式呈現。

這三種情況中以第一種情況應該比較容易排除其可能性，現在的偵測技術應該可以偵測出核分裂所釋放的粒子，而第二種與第三種情況不容易排除其可能性。…待續

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作者:楊煥謀