Светот на физиката еквивалентност на енергија и маса
Формулата \ (\ boldsymbol \) игра важна улога не само за физичарите. На пример, енергијата на сонцето, а со тоа и основата на нашите животи се базираат на оваа врска, а електричната енергија од нуклеарните централи исто така би била незамислива без еквивалентност на енергија и маса.
\ (E = mc ^ 2 \) е една од најпознатите равенки во модерната физика. Одамна престана да се наоѓа само во специјализирани книги, но исто така украсува марки или маици, па дури и служи како образец за скулптура. Оваа формула неодамна стана стара сто години: Ајнштајн ја откри во својата чудотворна 1905 година и ја објави како петта од неговите револуционерни дела - на само три страници.
За Ајнштајн 2005 година
Равенката \ (E = mc ^ 2 \) ја поврзува масата m на телото - како што може да се измери, на пример, со кујнски размер во гравитационото поле на земјата и да се наведе во килограми (kg) - со енергијата Е еквивалентна на оваа маса, како една се користи во форма на електрична енергија, енергија на согорување за греење, кинетичка енергија и така натаму и се наведува и се плаќа во џули (J) или киловат часови (kWh). c се залага за брзината на светлината, една од универзалните природни константи, која е прилично добра приближно 300.000 километри во секунда.
Еквивалентно значи дека секоја маса m одговара на добро определена енергија Е, но исто така и дека секоја енергија E одговара на добро определена маса m. На пример, ако светилка со моќност од 20 вати се пали еден час, енергијата што ја троши ќе биде еднаква на масата од 8 × 10 -13 кг; оваа количина може да ни изгледа мала, но атомот на водород, на пример, тежи многу, многу помалку, имено само 1,67 × 10 -27 кг. Дури и атом на ураниум тежи само 395 × 10 -27 кг.
Монети богати со енергија
Од друга страна, масите м, кои ги гледаме секој ден, одговараат на огромни енергии: парче од евро тежи само седум грама или 7 × 10 -3 кг. Според релацијата енергија-маса на Ајнштајн \ (E = mc ^ 2 \) оваа монета ќе биде еквивалентна на енергија од 6,3 × 10 14 J! За споредба: Вкупната потрошувачка на енергија на Сојузна Република на просечен ден е во редослед од 40 петаџули, т.е. 40 × 10 15 Ј. Така, потребни се само шеесет и едно евро монети „претворени“ во енергија дневно (или околу 75 милионити дел од евроцент по жител на ден) и сите конвенционалните електрани може да бидат затворени - повеќе не зависат од нафта, гас и јаглен.
Но, како можете да ја ослободите оваа енергија? Ако беше толку лесно да се направи, енергијата на евро-парче ќе имаше скоро страшна и разорна моќ да го уништи човештвото. Но, природата го организираше прекрасно мудро: Додека хемиската енергија содржана во експлозивите може да се ослободи релативно лесно со палење, претворањето на масовната енергија \ (E = mc ^ 2 \) успева само со помош на атомски процеси и макроскопски само делумно, На пример, преку атомски судири со висока кинетичка енергија, со уништување на електрони, мезони и други елементарни честички, со фузија на протони и неутрони за да се формираат потешки јадра, со расцепување на многу тешки јадра како што се ураниум или плутониум и со други атомски или субатомски процеси; затоа е неопходен одреден научен и/или технички напор.
Иако ова е секојдневие во лабораторијата денес, тоа е несоодветно за злоупотреба - на пример во форма на деструктивно оружје. Бидејќи индивидуалните процеси се макроскопски безначајни, ослободената енергија е мала. Горенаведениот атом на водород или протонот обезбедува само 1,5 × 10 -10 J или 4,2 × 10 -17 KWh. Дури и еден атом на ураниум би дал само 3,6 × 10 -8 J или околу 10 -14 kWh. И зрачениот електрон (околу 10 -30 кг) придонесува само 8,2 × 10 -14 Ј во нашата грејна печка. Но, износот се брои! Еден килограм ураниум се состои од огромен број од околу 2,5 × 10 24 атоми. Нивниот вкупен енергетски еквивалент е 10 17 J - вкупната потрошувачка на енергија во Германија ќе биде обезбедена со помалку од половина килограм ураниум ако можеме да ја ослободиме оваа масовна енергија.
Извор на топлина и живот
Сонцето има сјај од 3,8 × 10 26 вати. Значи, таа емитува енергија од 3,8 × 10 26 J секоја секунда. Според еквивалентноста на енергетската маса, сонцето губи 4,2 милиони тони маса! Секоја секунда! А сепак: какво е тоа со оглед на денешната сончева маса од околу 2 × 10 30 кг? Ова може да продолжи со милијарди години со сегашниот интензитет.
Од каде ја добива оваа сончева енергија сонцето? Гравитационата енергија се покажува премногу мала, недоволна. Хемиски реакции, како што е согорувањето на јаглен, не можат да бидат ниту - меѓу другото, бидејќи на сончева температура од неколку милиони степени, сите атоми се целосно јонизирани, т.е. хемиските процеси веќе не се случуваат. Енергијата ослободена од фузијата на атомските јадра нуди објаснување.
Погледнете во сонцето
Поради големиот дел на јонизиран водород на сонцето, т.е. протони, нивната фузија за да се формира хелиум би бил најважниот процес на фузија. Двајцата физичари Субрахманијан Чандрасекар и Ханс Бете го развија придружниот механизам, таканаречената реакција на протон-протон, во 1930-тите. Понатамошното спојување на хелиум со јаглерод - наречено циклус Бете-Вајцкекер според неговите откривачи - во моментов дава само мал дополнителен придонес. Во различни реакции на фузија, кои исто така произведуваат неутрони, најпросто кажано, четири протони со вкупна маса од четири пати 1,673 10 -27 кг, т.е. 6,692 × 10 -27 кг, се спојуваат и формираат јадро на хелиум. Ова е поедноставено сè додека два протони на спојување стануваат неутрони кога се емитуваат позитрони; јадрото на хелиум се состои од два протона и два неутрони.
Јадрото на хелиум има маса од 6.647 × 10 -27 кг и со тоа зачудувачки е малку помала маса од четирите протони комбинирани од кои е создадено. Масата што недостасува по фузијата, т.н. масен дефект, е во овој случај \ (\ Делта м = \) 0,044 × 10 -27 кг. Кога четири протони се спојат за да формираат јадро на хелиум, се ослободува енергија од \ (\ Делта E = \ Делта m \; c ^ 2 = \) 3,96 × 10 -12 J. Во мерка на енергија што почесто ја користат нуклеарните физичари, ова е 24,7 мегаелектрон волти (MeV) или 6,18 MeV по нуклеон. На сонце, ваквите фузии се случуваат околу 10 38 пати секоја секунда!
Сите овие бројки се незамисливо ситни или огромно огромни, скоро „вонземски“. Бидејќи ниту светот на атомските јадра, ниту оној на сонцето не се вклопуваат во човечката димензија на земјата. Но, физиката може да се справи со тоа. Додека спојувањето на лесните јадра генерира енергија, тоа веќе не е случај со тешките атомски јадра. Тоа е затоа што овие содржат сè повеќе протони и затоа се повеќе позитивно наелектризирани. Како резултат на зголемената меѓусебна електрична одбивност, потешките јадра стануваат нестабилни.
Нуклеарна фисија и верижна реакција
Атомските јадра со средна големина се најсилно врзани, како што е железното јадро 57 Fe со обврзувачка енергија од приближно 8,77 MeV по нуклеон. Многу потешкото јадро на ураниум 235 U има само врзувачка енергија од 7,59 MeV на нуклеон. Ако 235 U се раздели на бариум 142 Ba, криптон 92 Kr и два неутрони бомбардирајќи го со неутрон, на пример, еден има масовно губење на \ (\ Делта m \) = (390.300 + 1.675) - (235.658 + 152.647 + 2 × 1.675) = 391.975 - 391.655 = 0.321, сите броеви во множители од 10 -27 кг. Оваа загуба на маса доведува до добивка на енергија од
\ (\ Делта Е = \ Делта м \; ц ^ 2 = 2.88 \ пати 10 ^ \; \ текст \)
Врзувачка енергија по нуклеон
Покрај нето добивката на енергија, реакцијата произведува и два дополнителни неутрони. Овие можат да доведат до повторување на процесот на расцепување со ново јадро од 235 U, т.н. верижна реакција. По разделувањето на сите 2,6 × 10 21 атоми од еден грам ураниум 235 U, се добива 7,5 × 10 10 J или околу 20 000 kWh или 20 MWh. Електраната на јаглен со типична моќност од 1000 MW ја снабдува истата енергија за 1,2 минути - и модерна
Ветерна турбина од 2,2 мегавати за девет часа.
Ако ги погледнете елементарните процеси вклучени во спојувањето на светлосните јадра или во расцепувањето на многу тешки јадра, енергетската добивка е приближно иста - подеднакво мала. И во двата случаи масата само делумно се претвора во енергија. Повторно, тоа е огромен број атоми кои се вклучени, што доведува до севкупно многу големо добивање на енергија. Техничката имплементација во реакторот на фузија во иднина или во нуклеарниот (фисија) реактор на сегашноста е, сепак, многу различна - различни степени на тежина, со различни несакани ефекти од радиоактивноста. Сонцето, сепак, го прави ова далеку од земјата со животворен успех и безбедно. Основата во сите случаи е едноставна еквивалентност на маса-енергија \ (E = mc ^ 2 \)!
Во детална статија, ќе научите како оваа равенка може да се изведе од релативистичката физика со малку размислување.