（1）当12.00112克的碳核31.9988克的氧结合时，产生了44.0100克的二氧化碳。二氧化碳的质量精确到四位小数，还是等于碳和氧质量的和。这是符合质量守恒定律的。ahyhfxc的jj06k\z

c+o2→co2+能量。wy8r0ttcpdkfif^c

12.0012g31.9988g33.0100g`6qvlrrqiz4szhf2k

（2）m6\a5rra[]3rnpee[

21h+31h→42he+10n+能量1dwest[^et1kygc7t

2.0141g3.0149g4.0015g1.0086gdzy3ga，s\a8qqekfg

当我们在氢2和氢3聚变的方程中将两边相加，反应前物质的总质量等于5.0920g，而反应后物质的总质量等于5.0101g。反应后比反应前少了0.0189g的物质。此时，质量守恒定律不再适用了，这0.0189g的物质到底去哪里了？7\bgpll2e\fkj0e

再看质能方程e=mc2l0[czd7eag`n1d，j

这个方程中，光速c的值约等于3x108m/s，那么c2=9x1016m2/s2。当这个巨大的数字乘以质量的变化时，结果是巨大的能量被释放出来。所以，这个方程里的物质似乎消失了，其实是转化成为了能量。kmxljnj2lwig9i[1i

但有个疑问：在一般的化学变化和物理变化中似乎没有质量的损失？_[\s0zvq4^ti5tlgg

其实在碳燃烧时是有质量损失的，但由于一般变化中能量释放得非常少，再用这个数值去除以c2，损失的质量就非常非常小了，我们很难测量出来。tt^kahaboffzw2ix，

所以根据爱因斯坦的质能方程和大量的试验数据，原来的能量守恒定律和质量守恒定律被发展成为质能守恒定律：物质和能量既不能被创造也不能被消灭，但它们能相互转化。从这一个概念来讲，其实物质可以看作能量的一种高度聚合的形式，那么质能守恒定律可以更准确地表达成：在一个封闭的系统中能量既不会增加也不会减少。kv。的t\e^zqq的er8x

这样，科学家们终于解决了那个困扰了他们很久的问题。科学家相信，在原子形成时，损失的质量转化成能量了。正是这种能量使原子核保持在一起。一般来说，原子核具有超过一个的质子，它们都具有正电荷所以会互相排斥，但正是这些能量使它们保持在一起并且还束缚住了中子。使原子核结合在一起的能量叫结合能。zwaqgjsd1961gadn

类比于结合能，化学键也起到同样的作用。虽然化合物是通过两种方式结合起来的：交换电子形成离子化合物（离子键：使阴、阳离子结合成化合物的静电作用）；共用电子对形成共价化合物（共价键：原子之间通过共用电子对所形成的相互作用）。但是可以概括地用化学键来描述这种结合作用。所以，化学键应该也是一种能量，而且说明分子在形成过程中，原子也相应地损失了一部分质量转化成为化学键。^37ep74，`f0qnjk`

这里，为了下面叙述的方便我们定义几个概念：kyegcssazb_36jy0d

束缚质子（中子）能：将质子（中子）束缚在原子核上的能量。束缚一个质子（中子）的能量大小为一单位。cnneclcf4的gzizwp

束缚电子能：束缚电子使其围绕原子核运动的能量。束缚一个电子的能量大小为一单位。h的，\]lldmsodp7c

质子(中子)内部能:将质子（中子）的内部结构束缚，保持质子（中子）内部结构的能量。c3q的cpfq\^k6mzipr

可以料想，在原子形成的时候，损失的一部分质量将转化成为能量，用以维持原子的内部结构。qa4dm_]ics^hflqql

四.能量和物质结构。6citrt。p1plp01a_8

在这里可以做一个猜想，如果物质可以看作能量的一种高度聚合的形式，那么就不排除有一天可以将物质完全地转化为能量。反之，可以将这些能量收集在一定条件下将它们重新转化为物质。比如说我们可以将垃圾完全转化为能量利用，或者可以将这些能量重新转化为别的物质比如铁，铜等。如果这个猜想可以实现必将开创人类的一个全新的时代。你可能觉得将垃圾变成铁是一件十分荒谬的事情，但是理论上的确有这种可能性。我们现在面对的可能有3种：（1）不同形式的能量（不包括物质）不再具有任何结构，能量即是构成世界的基本存在物。在它们聚合成为物质的时候，产生的物质结构取决于聚合时候的条件。那么将垃圾变成铁可能性就非常大了。（2）不同形式的能量（不包括物质）都具有相同的结构，在它们聚合成为物质的时候，产生的物质结构取决于聚合时候的条件。那么将垃圾变成铁便是可能的。（3）不同形式的能量（不包括物质）各自具有不同的结构（此时不同形式能量的划分不以机械能，内能，化学能等为标准），那么特定结构的能量只能聚合成特定的物质，也许垃圾变成的能量只能是垃圾能，而这些垃圾能只能重新被聚合成为垃圾。3uu`3eghkrmjeq[3a

这里非常关键的因素就是能量的本质和其运动规律，但实际的观察是难以实现的，那么我们可以从这个方式来猜想能量的结构：以已知的物质的结构为基础，研究能量在物质构成、运动、转化中所起到的作用，这样就可以比较有效地猜测能量的本质了。e]，tcpv56reeima

1。物质结构abow5m1g0on8k1qs^

（1）分子。k3_\wc03p_wbb2vdh

我们已知物质是粒子构成的，物质中能独立存在并保持其组成和一切化学特性的最小微粒是分子。分子是由原子用化学键结合在一起而构成的，原子之间的作用力比较强，但分子之间的作用力却相当弱，所以分子在一定程度上表现出独立粒子的行为。分子可以由同种原子组成，也可以由不同种类的原子组成。最简单的分子只含有一个原子，如稀有气体的分子。大多数非金属构成的分子为双原子分子，如氮、氧等分子。化合物是由不同元素组成的分子，为数最多。paekz0slq\20cjf

物质一般可以分为固体，液体，气体三种。一种物质在不同的条件下（如温度，压力等）可以处于不同的物态。而决定一种物质究竟处于何种状态的一个基本因素就是组成物质的分子之间的距离。固体和液体有一个共同特点：它们的分子间的距离不大，因而分子间有较强的相互作用，这使得固体和液体都不易压缩，而且在微观结构上不像气体那样无序。mp7ih8fc，2ltmia

可以用能量的观点来看上表，那么物态体现出的是物质内部的能量状况：气体的分子动能很大，它们的分子可以基本在空间内自由移动和扩散；液体和固体的分子动能较小，分子间的势能起主导作用，它们被相互束缚起来。液体的分子可以较大地振动，所以液体可以整体地，有限地扩散和移动。固体的分子被束缚得很紧，它们只能很轻微地振动，因此固体可以在长时间内保持稳定而不扩散和移动。rp3的。_55ka3teduj

（2）原子7mefhp4，gb3m5xcf

构成化学元素的基本单元和化学变化中的最小微粒，即不能用化学变化再分的微粒。原子由带正电的原子核和带负电的核外电子组成，原子核非常小，但原子质量的99.95％以上都集中在原子核内。质量很小的电子在原子核外的空间绕核作有规律的高速运动，原子核和核外电子相互吸引，组成中性的原子。原子核由质子和中子组成。质子和中子统称为核子，核电荷数即为核内质子数。核是非常致密的，核子彼此紧靠在一起。zrmoo2cypv[jhh5rk

上左图为一种经典的原子模型，每一个电子都在一定的轨道上绕着原子核运动。没有电子能够旋转于这些固定的轨道之间的任何一点上，电子也不能落入原子核里。另外，每一个轨道包含的原子都有一个最大值。^rmqycsyeih0qmpf

右上图为较新的电子云模型。电子充满原子核周围的球形空间。在含有多个电子的原子里，由于电子的能量不同，它们运动的区域也不同。通常，能量低的电子在离核较远的区域运动。我们可以将不同的区域分为不同的能级，分别对应不同能量的电子。cl^`\v\prcabqdad`

在这两个模型中都有一个共同点，就是电子离核越远，能量也就越高。我们同样可以用动能和势能的观点来解释原子的模型：原子核和电子之间有吸引力，而动能的存在维持着原子核和电子的相互位置和关系，所以在电子和原子核之间包含着势能，原子核和电子间的吸引力越强，那么势能就越强。但在这里，假定一个电子在靠近原子核，那么势能会转化为电子的动能，当动能足以克服吸引力，它就会停止靠近原子核并最终远离原子核；当它远离原子核时，动能便转化为势能，当动能不足以克服吸引力时，它便会停止远离原子核而开始靠近原子核……这样子往复下去，除非有外来的能量打破这种平衡。jlp8l]1aggpujoh1k

（3）物质的能量稳定zn05lnkp9pj01ae3

由于物质的结构特点，导致不通物态的物质在吸收一定能量后产生的改变是完全不同的。比如热胀冷缩的程度：气体受热膨胀地十分剧烈和明显，液体较为明显而固体最不明显。这是因为在气体分子间的束缚最弱，在吸收能量后分子间的距离迅速地扩大，导致空间上的体积迅速扩大。kof]uee6nkdy8。htb

不同物态的物质本质是一致的，只不过在微观结构上的能量状况不同。如果再看一个例子将对这个问题有更深入的认识。rk2cmk，z04f2nkae^

固体可以分为晶体和非晶体两大类。晶体和非晶体在外形上和物理性质上都有很大区别：[p6。22a1fe4zelfb\

外观上晶体有规则的几何形状，非晶体没有规则的几何形状；晶体的一些物理性质表现为各向异性（晶体的物理性质和方向有关），非晶体的各种物理性质是各向同性（非晶体的各种物理性质在各个方向上都是相同的）；晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点。njxtgq7pe0edb9kn

一种材料是晶体还是非晶体并不是绝对的，许多非晶体在一定条件下可以转化为晶体。例如古老建筑中的窗玻璃就经常出现局部的结晶状态。另外，人们发现，只要冷却得足够快并冷却到足够低的温度，几乎所有的材料都能成为非晶体。晶体又有单晶体和多晶体之分。一个食盐小颗粒是单晶体，许多食盐的单晶体粘在一起成了个大盐块，这就是食盐的多晶体。一般说来，如果整个物体是由许多杂乱无章排列着的单晶体组成的，这样的物体就叫多晶体。多晶体通常没有规则的几何形状，各方向的物理性质也相同，但是仍有确定的熔点。日常见到的各种金属都是多晶体。把纯铁做成的样品放在显微镜下观察，可以看到它是由许多晶粒组成的。因为多晶体的机构特点使它的性质介于单晶体和非晶体之间。bhqqtnk，47fv的q的

组成晶体的物质微粒（分子、原子或离子）的确依照一定的规律在空间中整齐地排列着。因此晶体中物质微粒间的相互作用力很强，微粒的热运动不足以克服它们的相互作用而使粒子远离，微粒的热运动表现为在一定的平衡位置附近的微小振动。非晶体内部物质微粒的排列是不规则的，所以非晶体没有规则的外形。5[l3ln3bjmye_nqft

有的物质能够生成几种不同的晶体，这是因为组成这种物质的微粒可以按几种不同的方式形成不同的晶体结构。碳原子按照不同的排列可以形成金刚石和石墨。金刚石中碳原子间的作用力很强，所以金刚石具有很大的硬度。石墨中碳原子组成层状结构，各层间的距离比较大，相互作用力比较弱，所以质地松软。cdc，7qkeahxgtdnt

可见物质的微观结构（能量状况）对物质的物理性质和化学性质产生极大的影响。p7iu_，qao2b5g2的g

我们可以定义一个概念能量稳定度来描述不同物态、不同结构物质性质的一个渐变关系。nzd2tc6pt8i5pn2b

能量稳定度是指由物质内部结构决定的物质性质的稳定程度，它表现在同一等级上等量的能量对物质结构和性质改变的多少。如果一定量能量作用于a，b两物体，而a物体的性质和结构改变较小，就说a物体比b物体具有更高的能量稳定度。ks3hhdhrwyes6s4^

由此，我们可以将不同物质的能量稳定度通过一个表来表示。quckcs0f5r8zmaojm

物质能量稳定度表foxpjko\g34oei54o

普通物质级气体↓xh6mta]3qqak5gxf

液体↓03ijwl8eytojvx_b

固体非晶体↓cux[[rb，^u`sl_rn

多晶体↓6ks4o5qb1oyg16zl

单晶体↓a。o8bdsarqdfv9mit

分子结构级↓s5ohdm2`d`^oyimnt

原子结构级↓ey_khit]gd2t\jkce

原子核结构级↓wwm`obv6rmgw。kgjq

……5bkemtk。efkcul。jb

↓指能量稳定度更高n7ks^\cubs，grbm6f

这个表想要说明的是：一般说来，物质的机构越小，越微观，其能量稳定度就越高。意味着物质的微观结构越来越稳定，相比较下需要更多的能量才能改变。x7ky]。fel5h\a^o9r

2。物质的运动和转07h\。kkne3hfiv

（1）物理变化kyu，wrbqeso的efip

*1行星绕恒星运转lglf1m`^c7_lp481

举太阳系中的地球为例，这种状况非常类似于经典的原子模型。不同在于地球在一个十分确定的轨道上绕太阳运转。太阳和地球之间有非常大的万有引力，而地球本身又在不停运动具有动能，而动能的存在维持着太阳和地球的相互位置和关系，所以在太阳和地球之间的包含着势能，太阳和地球之间的万有引力越强，那么势能就越强。由于并没有外来强大的外来能量干扰，地球的运转轨道是地球的动能和势能之间达到平衡的结果，而地球的动能和势能几乎从不受到影响以至于这个轨道是如此得恒定和精确。kh30kezprd93，al[q

在实际情况中还要考虑地球和其他行星之间的影响，但原理不会有太大的变化。可以说还是太阳系的能量关系，决定了太阳与不同行星之间的相互位置和关系。，i7。9g3ah`hmpvgnr

*2地球表面的物体的升降运动npi4zt]，c的yhfla6

相比起地球的质量和体积来说，地球表面的很多物体实在是非常的小，因此大部分都被紧紧地束缚在地球表面上，但是在某些情况下，物体可以离开地球表面，到较高一点的地方去。举向天空抛小球为例：我将手中的小球抛向天空，我的化学能转化成为手的机械能再转化成为小球的动能，然后小球飞了出去。在上升过程中，小球的动能不断转化成为势能，直到在最高点小球的动能为0而重力势能达到最大，它开始下降做自由落体运动。在自由落体运动中，它的重力势能不断减小，动能不断增大，它的速度越来越快最后“轰”砸在地上，则此时动能最大势能最小。能量最终又传给大地。在这个过程中，能量由我传给小球，小球经过转化最终把能量传给大地（中间有一些能量传给了空气）。这个过程符合质能守恒定律。ipjo7vkxtr\\，oh的，

*3物态变化rkc7sxq9stlc1rshs

物态变化是物理变化，并不会改变分子的构成，只是改变分子的排列^brpil\jwi_xubd的d

前面已经讨论过，分子（包括单原子分子）构成物质。人们认为之所以物质会分为常见的固态，液态，气态，原因在于分子是不停运动的，具有动能；而分子之间还有吸引力叫分子间力。既然分子间力维持着分子之间的相互位置，那么这种分子间力包含着势能。分子间力越强，分子的势能就越大。在固体和液体里，分子的动能不足以克服分子间力。在气体中，分子的动能足以克服分子间力所以分子分离开来。对于物质来说，它所包含的分子（以及分子间）的能量决定了它的物态。但实际上能量是不是唯一决定物质的状态的因素呢？43cl]。0rfl5h5]6t

这里可以做一个定量的试验：加热36g的冰直至全部变为水蒸气，再将水蒸气凝结成冰。测量在这过程中的能量变化可得：lgqegc34j8u。bki1v

0c的冰＋能量→100c的水蒸气l_1i7pa[。8aw的4\ai

36g108864j36gd\h7cihyw8sij]h`d

100c的水蒸气＋能量→0c的冰ugimm^gj8ps^]tnuh

36g108864j36g，hr[]kj2ug7ocp6j，

这个试验在这里便可以说明能量在物态变化中所起到的作用了：似乎只有能量在物态的转变中起着决定性的作用。ktpy5yquxuccbtd7s

（2）化学变化g55^3lejsrmefag]c

化学变化会通过改变原子排列来改变分子的构成。结果导致一种新的物质产生，化学变化也伴随能量的变化。r2x。[5htms0ko，02

*1释放能量的反应jrfqqs\_x。eyljclx

任何以热的形式释放能量的化学反应是放热的。c`qb[g5ho9o5rxijp

例如氢在氧气里燃烧：yg\opex6nd7hb0jos

2h2+o2→2h2o+能量x`lungr8iblsnn6[_

这个反应其实是2个氢气分子被拆分为4个氢原子，一个氧气分子拆分成的2个氧原子，重新排列成为2个水分子并放出能量。更确切的说是氢分子和氧分子的化学键破碎而氢氧原子之间形成新的化学键，新的化学键和原来的化学键是不同的。既然原子本身并没有变化那么有没有可能能量是因为化学键的变化而放出的呢？那么到底什么是化学键，是什么在维系着分子的结构和原子的结构？。[k2vs2rp7a，eg[[]

*2吸收能量的反应6nljv2b[bbjhpst51

2h2o+能量→2h2+02g3n7epiarcrwdg2o

这个反应实际上是在能量的作用下，2个水分子中的化学键都破碎然后4个氢原子和2个氧原子分别形成新的化学键。如果假定反应前后化学键的变化是吸收、释放能量的原因，就可以得出2个水分子中的化学键能量小于2个氢分子中化学键能量与1个氧分子中化学键能量的和。这样方程两边的能量才是平衡的。tpsfnv^。jf5snpzrb

在化学反应中，许多能量都是用来打破分子中的键，并在原子间形成新的键。在物理变化中，需要较小的能量来克服分子相互吸引的分子间力。打破分子中的键所需要的能量比克服在分子间的力大得多。对应不同能量稳定度的物质可以在不同得反应中划分出一个能量级别来。3samc[bgk6g0nyq\i

前面的想法毕竟是猜想，就一般而言人们是这样解释化学反应中能量的变化的：能量可以作为化学能储存在原子里和分子里。在释放热量的反应中，化学能只是简单地转化成为热能放出；在吸收能量的反应中，热能转化成为生成物的化学能储存起来kmot8hl2qvc1iud的a

有些反应只有在物质已经升高到一定的温度后才开始。比如，需要一定的能量来加热炭，使它能够着火。但是一旦点着，炭在燃烧时放出的能量就比加热炭所需要的能量更多。化学家能够测量升高每种物质的温度带到开始发生化学变化所需要的能量。他们也能够测量在这个反应进行中放出的能量。如果这个反应是放热的，释放的能量总大于这个反应所需要的能量。另一方面，如果在反应开始后继续吸收能量，那么这个反应就是吸热的反应。可以发现，对于不同的物质，有一个不同的临界能量值分隔开它的物理变化和化学变化。edma]5thz_opqpcd

（3）原子核反应f4\hn6xpz^kjeti，

*1天然放射性pau`vqmtr，7kj，q

由于从原子核里自发放射粒子，而使一种元素变为另一种元素的过程，被称为放射性衰变。tqkyqjc0`td4`hot

铀的放射性衰变_c40。01ttkqjhrtsk

铀238（质量数为238的铀的同位素）衰变时，它的原子核放出一个阿尔法粒子，这种粒子由2个质子和2个中子组成，同时放出热能和伽玛辐射，形成钍234的原子核。kseirj4`jcars。oit

铀238→阿尔法粒子＋钍234＋能量e4ihprqa的rrrymbb

92p2p90pv2_bkj2alo3，ukni2

146n2n144n(p代表质子，n代表中子。质量数等于质子数加中子数。)xhgmbm2yrgr5snx

注意原子核的粒子怎样重新安排，铀238的原子核损失2个质子和2个中子形成一个阿尔法粒子，剩下的形成钍234的原子核，它是由90个质子和144个中子形成的。方程两边质子数核中子数都没变，看起来这里的能量来自把阿尔法粒子束缚在原子核上的2个单位的质子束缚能和2个单位的中子束缚能，它一起被释放出来。2]i``_l1，yd`hlavl看小说就去翠微居cuiweiju

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