Светът на физиката еквивалентност на енергия и маса
Формулата \ (\ boldsymbol \) играе важна роля не само за физиците. Например, енергията на слънцето и следователно основата на нашия живот се основават на тази връзка, а електричеството от атомните електроцентрали също би било немислимо без еквивалентността на енергия и маса.
\ (E = mc ^ 2 \) е едно от най-известните уравнения в съвременната физика. Той отдавна вече не се среща само в специализирани книги, но също така украсява пощенски марки или тениски и дори служи като шаблон за скулптура. Тази формула наскоро стана на сто години: Айнщайн я откри в своята чудодейна 1905 г. и я публикува като петата от своите новаторски творби - само на три страници.
За Айнщайн 2005 година
Уравнението \ (E = mc ^ 2 \) свързва масата на тялото - както може да се измери например с кухненска везна в гравитационното поле на земята и посочена в килограми (kg) - с енергията E, която е еквивалентна на тази маса използва се под формата на електрическа енергия, горивна енергия за отопление, кинетична енергия и така нататък и се посочва и заплаща в джаули (J) или киловатчаса (kWh). c означава скоростта на светлината, една от универсалните природни константи, която е в доста добро приближение 300 000 километра в секунда.
Еквивалент означава, че всяка маса m съответства на добре определена енергия E, но също така, че всяка енергия E съответства на добре определена маса m. Например, ако лампа с мощност от 20 вата светне за един час, консумираната от нея енергия би била равна на маса от 8 × 10 -13 кг; това количество може да ни изглежда малко, но водородният атом например тежи много, много по-малко, а именно само 1,67 × 10 -27 кг. Дори уранният атом тежи само 395 × 10 -27 кг.
Богати на енергия монети
От друга страна, масите m, които виждаме всеки ден, съответстват на огромни енергии: едно евро парче тежи само седем грама или 7 × 10 -3 кг. Според съотношението енергия-маса на Айнщайн \ (E = mc ^ 2 \) тази монета би била еквивалентна на енергия от 6,3 × 10 14 J! За сравнение: Общото енергийно потребление на Федералната република средно на ден е от порядъка на 40 петаджаула, т.е. конвенционалните електроцентрали могат да бъдат изключени - вече не зависят от нефт, газ и въглища.
Но как можете да освободите тази енергия? Ако беше толкова лесно възможно, енергията на евро парче би имала почти ужасяваща и човешка разрушителна сила. Но природата го е подредила чудесно мъдро: Докато химическата енергия, съдържаща се в експлозивите, може да се освободи относително лесно чрез запалване, преобразуването на масовата енергия \ (E = mc ^ 2 \) успява само чрез атомни процеси и макроскопски само частично, Например чрез атомни сблъсъци с висока кинетична енергия, с унищожаване на електрони, мезони и други елементарни частици, със сливане на протони и неутрони за образуване на по-тежки ядра, с делене на много тежки ядра като уран или плутоний и с други атомни или субатомни процеси; следователно са необходими някои научни и/или технически усилия.
Въпреки че това е ежедневието в лабораторията днес, то е неподходящо за злоупотреба - например под формата на разрушителни оръжия. Тъй като отделните процеси са макроскопски незначителни, освободената енергия е малка. Гореспоменатият водороден атом или протон осигурява само 1,5 × 10 -10 J или 4,2 × 10 -17 KWh. Дори един атом на уран би дал само 3,6 × 10 -8 J или около 10 -14 kWh. И излъчен електрон (около 10 -30 кг) допринася само 8,2 × 10 -14 J за нашата отоплителна пещ. Но сумата се брои! Един килограм уран се състои от огромния брой от около 2,5 × 10 24 атома. Общият им енергиен еквивалент е 10 17 J - общото ежедневно енергийно потребление на Германия ще бъде осигурено с по-малко от половин килограм уран, ако успеем да освободим тази масова енергия.
Източник на топлина и живот
Слънцето има светимост 3,8 × 10 26 вата. Така той излъчва енергия от 3,8 × 10 26 J всяка секунда. Според еквивалента на енергийната маса слънцето губи 4,2 милиона тона маса! Всяка секунда! И все пак: какво е това с оглед на днешната слънчева маса от около 2 × 10 30 кг? Това може да продължи милиарди години при настоящата интензивност.
Откъде слънцето получава тази лъчиста енергия? Гравитационната енергия се оказва твърде малка, недостатъчна. Химичните реакции, като изгарянето на въглища, също не могат да бъдат - наред с други неща, тъй като при слънчевата температура от няколко милиона градуса всички атоми са напълно йонизирани, т.е. химическите процеси вече не протичат. Енергията, освободена от сливането на атомни ядра, дава обяснение.
Погледнете вътре в слънцето
Поради големия дял на йонизиран водород в слънцето, т.е. протони, тяхното сливане с образуване на хелий ще бъде най-важният процес на синтез. Двамата физици Субрахманян Чандрасекхар и Ханс Бете са разработили свързания механизъм, така наречената протон-протонна реакция, през 30-те години на миналия век. По-нататъшното сливане на хелий с въглерод - наречено цикъл на Бете-Вайцакер след откривателите му - понастоящем има само малък допълнителен принос. При различни реакции на синтез, които също произвеждат неутрони, казано по-просто, четири протона с обща маса четири пъти 1.673 × 10 -27 kg, т.е. Това се опростява, доколкото два от сливащите се протони стават неутрони чрез излъчването на позитрони, тъй като хелиевото ядро се състои от два протона и два неутрона.
Хелиевото ядро има маса 6.647 × 10 -27 кг и по този начин удивително малко по-малка маса от четирите протона, комбинирани от които е създадено. Липсващата маса след сливането, така нареченият дефект на масата, е \ (\ Delta m = \) 0,044 × 10 -27 kg в този случай. Когато четири протона се сливат, за да образуват хелиево ядро, се освобождава енергия от \ (\ Delta E = \ Delta m \; c ^ 2 = \) 3.96 × 10 -12 J. В по-често срещана за ядрените физици енергийна мярка това е 24,7 мегаелектрон волта (MeV) или 6,18 MeV на нуклон. На слънце подобни сливания се случват около 10 38 пъти всяка секунда!
Всички тези числа са невъобразимо малки или преобладаващо огромни, почти „извънземни“. Защото нито светът на атомните ядра, нито този на слънцето се вписват в човешкия размер на земята. Но физиката може да се справи. Докато сливането на леки ядра генерира енергия, това вече не е така при тежките атомни ядра. Това е така, защото те съдържат все повече протони и следователно се зареждат все по-положително. В резултат на нарастващото взаимно електрическо отблъскване по-тежките ядра стават нестабилни.
Ядрено делене и верижна реакция
Средно големите атомни ядра са най-силно свързани, като ядреното ядро 57 Fe с енергия на свързване приблизително 8,77 MeV на нуклон. Много по-тежкото ураново ядро 235 U има само енергия на свързване от 7,59 MeV на нуклон. Ако 235 U се раздели на барий 142 Ba, криптон 92 Kr и два неутрона, като го бомбардира с неутрон, например, има загуба на маса от \ (\ Delta m \) = (390.300 + 1.675) - (235.658 + 152.647 + 2 × 1.675) = 391,975 - 391,655 = 0,321, всички числа, кратни на 10 -27 кг. Тази загуба на маса води до енергийна печалба от
\ (\ Delta E = \ Delta m \; c ^ 2 = 2,88 \ по 10 ^ \; \ текст \)
Енергия на свързване на нуклон
В допълнение към нетната печалба на енергия, реакцията също така произвежда два допълнителни неутрона. Те могат да доведат до повторение на процеса на разцепване с ново ядро от 235 U, така наречената верижна реакция. След разделяне на всички 2.6 × 10 21 атома от един грам уран 235 U, човек получава 7.5 × 10 10 J или около 20 000 kWh или 20 MWh. Електроцентрала на въглища с типична мощност от 1000 MW доставя същата енергия за 1,2 минути - и то модерна
2,2 MW вятърна турбина за девет часа.
Ако погледнете елементарните процеси, свързани със сливането на леки ядра или с разделянето на много тежки ядра, енергийната печалба е приблизително еднаква - също толкова малка. И в двата случая масата само частично се превръща в енергия. Отново, това е огромният брой на участващите атоми, което води до много голяма печалба в енергията. Техническото изпълнение в термоядрения реактор на бъдещето или в ядрения (ядрен) реактор на настоящето обаче е много различно - различна степен на трудност, с различни странични ефекти от радиоактивността. Слънцето обаче прави това далеч от земята с животворен успех и безопасно. Основата във всички случаи е простата еквивалентност маса-енергия \ (E = mc ^ 2 \)!
В задълбочена статия ще научите как това уравнение може да се извлече от релативистката физика с малко размисъл.