Lumea fizicii echivalența energiei și a masei
Formula \ (\ boldsymbol \) joacă un rol important nu numai pentru fizicieni. De exemplu, energia soarelui și, astfel, baza vieții noastre se bazează pe această conexiune, iar electricitatea de la centralele nucleare ar fi, de asemenea, de neconceput fără echivalența energiei și a masei.
\ (E = mc ^ 2 \) este una dintre cele mai cunoscute ecuații din fizica modernă. De mult a încetat să mai fie găsit doar în cărțile de specialitate, dar împodobește și ștampile sau tricouri și chiar a servit drept șablon pentru o sculptură. Această formulă a devenit recent veche de o sută de ani: Einstein a descoperit-o în anul său minune 1905 și a publicat-o ca a cincea dintre lucrările sale revoluționare - pe doar trei pagini.
Pentru anul Einstein 2005
Ecuația \ (E = mc ^ 2 \) leagă masa m a unui corp - așa cum se poate măsura, de exemplu, cu o scală de bucătărie în câmpul gravitațional al pământului și exprimată în kilograme (kg) - cu energia E echivalentă cu această masă, ca una este utilizat sub formă de energie electrică, energie de ardere pentru încălzire, energie cinetică și așa mai departe și este declarat și plătit în jouli (J) sau kilowatti oră (kWh). c reprezintă viteza luminii, una dintre constantele naturale universale, care are o aproximare destul de bună de 300.000 de kilometri pe secundă.
Echivalent înseamnă că fiecare masă m corespunde unei energii E bine determinate, dar și că fiecare energie E corespunde unei mase bine determinate m. De exemplu, dacă o lampă cu o putere de 20 de wați se aprinde timp de o oră, energia pe care o consumă ar fi egală cu o masă de 8 × 10 -13 kg; această cantitate poate părea mică pentru noi, dar un atom de hidrogen, de exemplu, cântărește mult, mult mai puțin, și anume doar 1,67 × 10 -27 kg. Chiar și un atom de uraniu cântărește doar 395 × 10 -27 kg.
Monede bogate în energie
Pe de altă parte, masele m, pe care le vedem în fiecare zi, corespund unor energii enorme: o bucată de euro cântărește doar șapte grame sau 7 × 10 -3 kg. Conform relației energie-masă a lui Einstein \ (E = mc ^ 2 \) această monedă ar fi echivalentă cu o energie de 6,3 × 10 14 J! Pentru comparație: consumul total de energie al Republicii Federale într-o zi medie este de ordinul a 40 de petajoule, adică 40 × 10 15 J. Astfel, ar fi nevoie doar de șaizeci și unu de monede euro „convertite” în energie zilnic (sau aproximativ 75 de milionimi de cent de euro pe locuitor pe zi) și toate acestea centralele electrice convenționale ar putea fi oprite - nu mai depind de petrol, gaz și cărbune.
Dar cum poți elibera această energie? Dacă ar fi atât de ușor de făcut, energia unei piese euro ar avea o putere aproape teribilă și distructivă de a distruge umanitatea. Dar, natura a aranjat-o minunat cu înțelepciune: în timp ce energia chimică conținută în explozivi poate fi eliberată relativ ușor prin aprindere, conversia energiei de masă \ (E = mc ^ 2 \) nu reușește decât prin intermediul proceselor atomice și macroscopic doar parțial, De exemplu, prin coliziuni atomice cu energie cinetică ridicată, anihilarea electronilor, mezonilor și a altor particule elementare, fuziunea de protoni și neutroni pentru a forma nuclee mai grele, fisiunea unor nuclee foarte grele precum uraniul sau plutoniul și alte procese atomice sau subatomice; de aceea este necesar un efort științific și/sau tehnic.
Deși astăzi este viața de zi cu zi în laborator, nu este adecvată abuzului - de exemplu sub formă de arme distructive. Deoarece procesele individuale sunt macroscopic nesemnificative, energia eliberată este mică. Atomul de hidrogen sau protonul menționat mai sus furnizează doar 1,5 × 10 -10 J sau 4,2 × 10 -17 KWh. Chiar și un singur atom de uraniu ar da doar 3,6 × 10-8 J sau aproximativ 10-14 kWh. Și un electron radiat (aproximativ 10-30 kg) contribuie cu doar 8,2 × 10-14 J la cuptorul nostru de încălzire. Dar suma contează! Un kilogram de uraniu constă în numărul enorm de aproximativ 2,5 × 10 24 de atomi. Echivalentul lor energetic total se ridică la 10 17 J - Întregul consum energetic zilnic al Germaniei ar fi asigurat cu mai puțin de jumătate de kilogram de uraniu dacă am putea elibera această energie de masă.
Sursă de căldură și viață
Soarele are o luminozitate de 3,8 × 10 26 wați. Deci emite o energie de 3,8 × 10 26 J în fiecare secundă. Conform echivalenței energie-masă, soarele pierde 4,2 milioane de tone de masă! Fiecare secunda! Și totuși: ce este asta având în vedere masa solară actuală de aproximativ 2 × 10 30 kg? Acest lucru ar putea continua timp de miliarde de ani la intensitatea actuală.
De unde ia soarele această energie radiantă? Energia gravitațională se dovedește a fi mult prea mică, nu suficientă. Reacțiile chimice, cum ar fi arderea cărbunelui, nu pot fi nici ele - printre altele, deoarece la temperatura soarelui de câteva milioane de grade toți atomii sunt complet ionizați, adică procesele chimice nu mai au loc. Energia eliberată prin fuziunea nucleilor atomici oferă o explicație.
Uită-te în soare
Datorită proporției mari de hidrogen ionizat în soare, adică protoni, fuziunea lor pentru a forma heliu ar fi cel mai important proces de fuziune. Cei doi fizicieni Subrahmanyan Chandrasekhar și Hans Bethe au dezvoltat mecanismul asociat, așa-numita reacție proton-proton, în anii 1930. Fuziunea suplimentară a heliului cu carbonul - numită ciclul Bethe-Weizsäcker după descoperitorii săi - aduce în prezent doar o mică contribuție suplimentară. În diferite reacții de fuziune, care produc, de asemenea, neutroni, pentru a le spune simplu, patru protoni cu o masă totală de patru ori 1,673 × 10 -27 kg, adică 6,692 × 10 -27 kg, fuzionează pentru a forma un nucleu de heliu. Acest lucru este simplificat în măsura în care doi dintre protonii care fuzionează devin neutroni prin emisia de pozitroni, deoarece un nucleu de heliu este format din doi protoni și doi neutroni.
Nucleul de heliu are o masă de 6.647 × 10 -27 kg și astfel, în mod uimitor, o masă puțin mai mică decât cei patru protoni combinați din care a fost format. Masa lipsă după fuziune, așa-numitul defect de masă, este \ (\ Delta m = \) 0,044 × 10 -27 kg în acest caz. Când patru protoni sunt fuzionați pentru a forma un nucleu de heliu, se eliberează o energie de \ (\ Delta E = \ Delta m \; c ^ 2 = \) 3,96 × 10 -12 J. Într-o măsură de energie mai frecventă pentru fizicienii nucleari, aceasta este de 24,7 megaelectroni volți (MeV) sau 6,18 MeV per nucleon. La soare, astfel de fuziuni se întâmplă de aproximativ 10 38 de ori pe secundă!
Toate aceste numere sunt inimaginabil de mici sau copleșitor de uriașe, aproape „extraterestre”. Pentru că nici lumea nucleelor atomice și nici cea a soarelui nu se încadrează în dimensiunea umană a pământului. Dar fizica se poate descurca. În timp ce fuzionarea nucleelor ușoare generează energie, acest lucru nu mai este cazul cu nucleele atomice grele. Acest lucru se datorează faptului că aceștia conțin din ce în ce mai mulți protoni și, prin urmare, sunt încărcați din ce în ce mai pozitiv. Ca urmare a respingerii electrice reciproce în creștere, nucleele mai grele devin instabile.
Fisiunea nucleară și reacția în lanț
Nucleii atomici de dimensiuni medii sunt legați cel mai puternic, cum ar fi nucleul de fier 57 Fe cu o energie de legare de aproximativ 8,77 MeV per nucleon. Nucleul de uraniu 235 U mult mai greu are doar o energie de legare de 7,59 MeV per nucleon. Dacă 235 U se împarte în bariu 142 Ba, cripton 92 Kr și doi neutroni bombardându-l cu un neutron, de exemplu, unul are o pierdere de masă de \ (\ Delta m \) = (390.300 + 1.675) - (235.658 + 152.647 + 2 × 1.675) = 391.975 - 391.655 = 0.321, toate numerele în multipli de 10 -27 kg. Această pierdere de masă duce la un câștig de energie de
\ (\ Delta E = \ Delta m \; c ^ 2 = 2,88 \ times 10 ^ \; \ text \)
Energie de legare pe nucleon
În plus față de câștigul net de energie, reacția produce și doi neutroni suplimentari. Acestea pot duce la repetarea unui proces de clivaj cu un nou miez de 235 U, așa-numita reacție în lanț. După împărțirea tuturor 2,6 × 10 21 atomi dintr-un gram de uraniu 235 U, se obține 7,5 × 10 10 J sau în jur de 20.000 kWh sau 20 MWh. O centrală electrică pe cărbune cu o putere tipică de 1000 MW furnizează aceeași energie în 1,2 minute - și una modernă
Turbină eoliană de 2,2 MW în nouă ore.
Dacă te uiți la procesele elementare implicate în fuziunea nucleelor ușoare sau în divizarea nucleelor foarte grele, câștigul de energie este aproximativ același - la fel de mic. Și în ambele cazuri masa este transformată doar parțial în energie. Din nou, numărul imens de atomi implicați duce la un câștig de energie foarte mare în general. Implementarea tehnică în reactorul de fuziune al viitorului sau în reactorul nuclear (de fisiune) din prezent este, însă, foarte diferită - grade diferite de dificultate, cu efecte secundare diferite de radioactivitate. Totuși, Soarele face acest lucru departe de pământ cu succes dătător de viață și în siguranță. Baza în toate cazurile este echivalența masă-energie simplă \ (E = mc ^ 2 \)!
Într-un articol detaliat, veți afla cum această ecuație poate fi derivată din fizica relativistă cu un pic de gândire.