A fizika világa az energia és a tömeg ekvivalenciája
A képlet \ (\ boldsymbol \) nemcsak a fizikusok számára játszik fontos szerepet. Például a nap energiája és így az életünk alapja ezen a kapcsolaton alapszik, és az atomerőművekből származó villamos energia szintén elképzelhetetlen lenne az energia és a tömeg egyenértékűsége nélkül.
\ (E = mc ^ 2 \) a modern fizika egyik legismertebb egyenlete. Régóta nem található meg csak szakkönyvekben, de bélyegeket vagy pólókat is díszít, sőt sablonként is szolgál egy szobor számára. Ez a képlet nemrég száz éves lett: Einstein 1905-ös csodájában fedezte fel, és úttörő munkái ötödikeként tette közzé - mindössze három oldalon.
A 2005-ös Einstein-évre
Az \ (E = mc ^ 2 \) egyenlet egy test m tömegét - amint azt például a föld gravitációs mezejében konyhai mérleggel mérhetjük és kilogrammban (kg) megadhatjuk - összekapcsoljuk az E energiával, amely ekvivalens ennek a tömegnek. villamos energia, fűtési égési energia, mozgási energia és így tovább használják, és joule-ban (J) vagy kilowatt-órában (kWh) adják meg és fizetik be. c a fénysebességet jelenti, az egyik univerzális természetes állandót, amely meglehetősen jó megközelítéssel 300 000 kilométer/másodperc.
Az ekvivalens azt jelenti, hogy minden m tömeg megfelel egy jól meghatározott E energiának, de azt is, hogy minden E energia egy pontosan meghatározott m tömegnek felel meg. Például, ha egy 20 wattos teljesítményű lámpa egy órán keresztül kigyullad, az általa elfogyasztott energia megegyezik 8 × 10-13 kg tömeggel; ez a mennyiség számunkra aprónak tűnhet, de például a hidrogénatom súlya sokkal, de sokkal kevesebb, mégpedig csak 1,67 × 10 -27 kg. Még egy uránatom is csak 395 × 10 -27 kg.
Energiagazdag érmék
Másrészt a m tömegek, amelyeket nap mint nap látunk, hatalmas energiáknak felelnek meg: egy euró darab súlya mindössze hét gramm, vagyis 7 × 10 -3 kg. Einstein energia-tömeg relációja szerint ((E = mc ^ 2 \) ez az érme 6,3 × 10 14 J energiával lenne egyenértékű! Összehasonlításképpen: A Szövetségi Köztársaság teljes energiafogyasztása egy átlagos napon 40 petajoule nagyságrendű, azaz 40 × 10 15 J nagyságrendű. Így naponta csak hatvanegy euróra kellene "energiává átalakítani" (vagyis naponta lakosonként kb. 75 milliomod eurócentet kell kitenni), és mindegyiket a hagyományos erőműveket le lehet állítani - ezek már nem függenek az olajtól, a gáztól és a széntől.
De hogyan lehet felszabadítani ezt az energiát? Ha ilyen könnyű megtenni, akkor egy euródarab energiájának szinte szörnyű és romboló ereje lenne az emberiség elpusztítására. De a természet csodálatosan bölcsen rendezte el: Míg a robbanóanyagok kémiai energiája viszonylag könnyen felszabadulhat gyújtással, a tömegenergia átalakítása \ (E = mc ^ 2 \) csak atomfolyamatokkal és makroszkóposan csak részben sikerül, Például nagy kinetikus energiájú atomi ütközések, elektronok, mezonok és más elemi részecskék megsemmisítése, protonok és neutronok fúziója nehezebb magok képződéséig, nagyon nehéz magok hasadása, például urán vagy plutónium, valamint más atomi vagy szubatomi folyamatok; ezért tudományos és/vagy technikai erőfeszítésekre van szükség.
Bár ez a mindennapi élet a laboratóriumban ma, alkalmatlan a visszaélésekre - például romboló fegyverek formájában. Mivel az egyes folyamatok makroszkopikusan jelentéktelenek, a felszabaduló energia apró. A fent említett hidrogénatom vagy proton csupán 1,5 × 10 -10 J vagy 4,2 × 10 -17 KWh-t bocsát ki. Még egy uránatom is csak 3,6 × 10 -8 J vagy körülbelül 10 -14 kWh-t eredményezne. A kisugárzott elektron (10-30 kg körüli) pedig mindössze 8,2 × 10 -14 J hozzájárul a fűtőkemencénkhez. De az összeg számít! Egy kilogramm urán a hatalmas számú, körülbelül 2,5 × 10 24 atomból áll. Teljes energiaegyenértékük 10 17 J - Németország teljes napi energiafogyasztását kevesebb mint fél kilogramm urán biztosítaná, ha ezt a tömegenergiát felszabadíthatnánk.
A meleg és az élet forrása
A nap fényereje 3,8 × 10 26 watt. Tehát másodpercenként 3,8 × 10 26 J energiát bocsát ki. Az energia-tömeg ekvivalencia szerint a nap 4,2 millió tonna tömeget veszít! Minden másodperc! És mégis: mi ez a mai 2 × 10 30 kg körüli naptömegre való tekintettel? Ez a jelenlegi intenzitás mellett több milliárd évig folytatódhat.
Honnan veszi a nap ezt a sugárzó energiát? A gravitációs energia kiderül, hogy túl kicsi, nem elég. A kémiai reakciók, mint például a szén elégetése, szintén nem lehetnek - többek között azért, mert a nap millió millió fokos hőmérsékletén az összes atom teljesen ionizálódik, vagyis kémiai folyamatok már nem mennek végbe. Az atommagok összeolvadásával felszabaduló energia magyarázatot kínál.
Nézz be a napba
Mivel a napban nagy az ionizált hidrogén, vagyis a protonok aránya, fúziójuk héliumot alkotva lenne a legfontosabb fúziós folyamat. A két fizikus, Subrahmanyan Chandrasekhar és Hans Bethe az 1930-as években fejlesztette ki a kapcsolódó mechanizmust, az úgynevezett proton-proton reakciót. A hélium és a szén további fúziója - amelyet felfedezői után Bethe-Weizsäcker-ciklusnak neveznek - jelenleg csak kis mértékben járul hozzá. Különböző, neutronokat is termelő fúziós reakciókban, leegyszerűsítve, négy, 1,673 × 10 -27 kg, azaz 6,692 × 10 -27 kg össztömegű proton olvad össze, így héliummag alakul ki. Ez annyiban egyszerűsödik, hogy a fuzionáló protonok közül kettő neutronná válik a pozitronok kibocsátása révén, mivel a héliummag két protonból és két neutronból áll.
A héliummag tömege 6,667 × 10 -27 kg, és ez meghökkentően kissé kisebb tömegű, mint a négy proton együttesen, amelyből létrejött. A fúzió után hiányzó tömeg, az úgynevezett tömeghiba \ (\ Delta m = \) 0,044 × 10 -27 kg ebben az esetben. Ha négy proton fuzionálva héliummagot képez, akkor \ (\ Delta E = \ Delta m \; c ^ 2 = \) 3,96 × 10 -12 J energia szabadul fel. A nukleáris fizikusoknál gyakoribb energiamérésben ez 24,7 megaelektron volt (MeV) vagy 6,18 MeV/nukleon. A napon ilyen fúziók másodpercenként körülbelül 10 38-szor fordulnak elő!
Mindezek a számok elképzelhetetlenül aprók vagy elsöprően hatalmasak, szinte "földönkívüliek". Mert sem az atommagok világa, sem a napé nem fér bele a föld emberi méretébe. De a fizika képes kezelni. Míg a könnyű magok összeolvadása energiát generál, a nehéz atommagokkal ez már nem így van. Ez azért van, mert ezek egyre több protont tartalmaznak, ezért egyre pozitívabban töltődnek fel. A növekvő kölcsönös elektromos taszítás következtében a nehezebb magok instabillá válnak.
Maghasadás és láncreakció
A közepes méretű atommagok kötődnek a legerősebben, például az 57 Fe vasmag, amelynek kötési energiája nukleononként körülbelül 8,77 MeV. A sokkal nehezebb 235 U uránmag kötési energiája csak 7,59 MeV/nukleon. Ha 235 U báriumra oszlik 142 Ba, kripton 92 Kr és két neutron, például neutronral bombázva, akkor az egyik tömegvesztesége \ (\ Delta m \) = (390.300 + 1.675) - (235.658 + 152.647 + 2 × 1.675) = 391,975 - 391,655 = 0,321, az összes szám 10 -27 kg többszöröse. Ez a tömegveszteség kb
\ (\ Delta E = \ Delta m \; c ^ 2 = 2,88 \ 10 × \; \ text \)
Megkötő energia nukleononként
A reakció a nettó energianyereség mellett két további neutront is termel. Ezek egy új 235 U maggal, egy úgynevezett láncreakcióval történő hasítási folyamat megismétlődéséhez vezethetnek. Miután egy gramm urán 235 U összes 2,6 × 10 21 atomját felosztottuk, 7,5 × 10 10 J-t, azaz körülbelül 20 000 kWh vagy 20 MWh-t kapunk. Szénerőmű, amelynek tipikus teljesítménye 1000 MW, 1,2 perc alatt ugyanazt az energiát szolgáltatja - és egy modernet is
2,2 MW szélerőmű kilenc óra alatt.
Ha megnézzük azokat az elemi folyamatokat, amelyek a könnyű magok fúziójában vagy a nagyon nehéz magok hasadásában vesznek részt, az energia nyereség nagyjából azonos - ugyanolyan apró. És mindkét esetben a tömeg csak részben alakul energiává. Ismét a hatalmas atomszám vesz részt, ami összességében nagyon nagy energianyereséghez vezet. A jövő fúziós reaktorában vagy a jelen nukleáris (hasadó) reaktorában a műszaki megvalósítás azonban nagyon eltérő - különböző nehézségi fokú, a radioaktivitás különböző mellékhatásokkal jár. A nap azonban éltető sikerrel és biztonságosan teszi ezt a földtől távol. Az alap minden esetben az egyszerű tömeg-energia ekvivalencia \ (E = mc ^ 2 \)!
Egy alapos cikkben megtudhatja, hogyan lehet ezt az egyenletet egy kis gondolkodással levezetni a relativisztikus fizikából.