Закон збереження маси до Ейнштейна і після

Закон збереження маси до Ейнштейна і після

Виконала: студентка гр. 602-11

Бутусова А.О.

Іжевськ 2009

Зміст

Ведення

Основна частина:

Маса і енергія

Принцип відносності

Ядерна енергетика

Енергія вогню

Природа маси

Висновок

Література

Введення

Закон збереження маси - один з фундаментальних законів природознавства. Невиконання цього принципу могло б призвести до того, що життя не Землі так би ніколи і не з'явилася (і навіть не з'явилася б сам Всесвіт). Але навколишнє нас Всесвіт все-таки існує і рясніє різними фізико-хімічними процесами, в основі яких і лежить той самий закон збереження маси (звичайно ж разом з іншими основоположними законами фізики та хімії). На сьогоднішній день навряд чи знайдеться людина, яка буде заперечувати справедливість розглянутого закону. Сучасному обивателю він здасться навіть занадто простим, придатним для розуміння мало не в дошкільному віці. Але так було далеко не завжди. Протягом тисячоліть думки вчених щодо властивостей маси різнилися, часто суперечили одна одній. І зараз не до кінця пізнана природа цього фундаментального поняття фізики. Але відкриття останніх трьох століть значно наблизили нас до розуміння істинного значення терміна «маса» і розкриттю основних її властивостей. Закон збереження маси є постулатом насамперед таких наук, як фізика і хімія. Саме тут ми бачимо найбільш яскраві його прояви, саме тут у всій красі розкривається його суть. Даний принцип також знаходить застосування і в біології, географії, астрономії та деяких інших природничих науках. Що ж стосується наук гуманітарних, то потрібно відзначити вплив закону збереження маси насамперед на філософію, тому що він лежить в основі сучасного уявлення людини про буття. Звичайно, в рамках однієї роботи неможливо розглянути всі точки зору на проблему формулювання і застосування закону збереження маси. Тут розглянуто найбільш загальний погляд на цей закон, а також викладені ті факти, достовірність яких на даний момент не викликає сумнівів.

Маса і енергія

Ньютон першим по-справжньому усвідомив, наскільки загадкові насправді маса і енергія у фізиці, і зробив першу спробу розібратися в цій проблемі. У 1687 році, зі словами "проте положення не зовсім безнадійно", він запропонував своє розуміння суті справи, і воно залишалося незаперечним аж до 1905 року, до Ейнштейна. За Ньютону, сенс маси видно з відкритого ним самим закону руху тіл. Якщо тіло під дією деякої сили набуває деяке прискорення, то його маса являє собою відношення цієї сили до цього прискоренню. Передбачається, що всі виміри здійснюються в інерціальній системі відліку, в якій (за її визначенням) тіла спочивають чи рухаються рівномірно і прямолінійно в відсутність діючих на них сил. При цьому - згідно з принципом відносності Галілея - закони природи однакові в усіх інерціальних системах, так що і таке розуміння маси справедливо у всіх цих системах. Що ж стосується енергії, то вона зобов'язана руху тіл, їх швидкості v. У механіці це кінетична енергія E, і вона, звичайно, пов'язана з масою тіла m за формулою E = 1 / 2 * m * v ^2. Але по суті маса і енергія - речі різні. Обидві вони підкоряються законам збереження, але нарізно: є закон збереження маси і окремо закон збереження енергії. Гідно захоплення, що Ньютон побачив глибоку зв'язок відкритих ним законів руху з загальними властивостями простору і часу. Ці закони можливі лише тому, що простір і час абсолютні, тобто задані раз і назавжди і існують незалежно від усього того, що відбувається у світі.

Принцип відносності

Насправді простір аж ніяк не абсолютно, і це повинно виявлятися при русі зі швидкостями, що наближаються до швидкості світла. При цьому розміри тіл виявляються різними, коли їх вимірюють у різних системах відліку. І час не абсолютно: що трапляється одночасно в одній системи відліку, то виявляється не одночасним в іншій системі. І тільки єдине чотиривимірний простір-час має абсолютний сенс, будучи інваріантним, тобто одним і тим же у всіх системах відліку. Це стало ясно Ейнштейну в 1905 році, коли він доповнив принцип відносності Галілея твердженням про кінцевої швидкості поширення всіх взаємодій у природі. Гранична швидкість поширення взаємодій дорівнює швидкості світла у порожнечі c, і вона однакова у всіх інерціальних системах відліку, будучи універсальної фізичної постійною. З нової концепції простору-часу виросла релятивістська механіка, що замінила механіку Ньютона. Центральним теоретичним і головним практичним наслідком механіки Ейнштейна стало нове розуміння маси та енергії фізичних тіл і їх систем. Ньютонівської визначення маси як відносини сили до прискорення в ній вже не діє. Таке ставлення, як виявляється, може бути по-різному для одного і того ж тіла в різних обставинах. Нехай тіло рухається так, що його швидкість змінюється тільки по напрямку, але не за величиною. У цьому випадку сила, що діє на тіло, спрямована перпендикулярно швидкості. Це один приклад. А в іншому - швидкість змінюється, навпаки, тільки за величиною, але не за направленням, і сила спрямована по швидкості. Згідно з новою механіці, у другому випадку відношення сили до прискорення більше, ніж у першому. Якщо в обох випадках швидкість тіла складала, скажімо, одну третину від швидкості світла, то різниця буде приблизно в 13%. Справа, звичайно, не в конкретних цифрах; важливіше те, що поняття маси в релятивістській фізиці стало принципово іншим. Воно виявилося багатшим внутрішнім фізичним змістом і новими глибинними зв'язками. Це перш за все зв'язку між масою і енергією.

Маса в теорії відносності визначається не через силу і прискорення, і тепер вона визначається енергією тіла. При цьому маса задається і вимірюється в стані, коли тіло спочиває. Якщо тіло маси m знаходиться у спокої, то запасена в ньому енергія E дорівнює добутку маси на квадрат швидкості світла: E = m * c ^2. Так виглядає ейнштейнівське співвідношення між енергією спокою та масою тіла, сама знаменита формула науки. Вона означає, що навіть у стані спокою тіло володіє певною енергією, яка цілком зобов'язана його масі. (Зауважимо в дужках, що хоча формули теорії відносності залишалися з самого початку одними і тими ж, фізики - Планк, Паулі, Фейнман та ін - давали масі різні тлумачення. Траплялося, і сам Ейнштейн змінював точку зору, потім знову повертався до старого і т.д. Через це у літературі, особливо навчальній та популярній, виникла прикра плутанина, яка, треба сказати, триває і до цих пір. У популярній книзі Л. Д. Ландау та Ю. Б. Румера "Що таке теорія відносності ", яка не раз видавалася, йдеться про масу, що залежить від швидкості тіла, тобто різною в різних системах відліку; стверджується, що" Результати дослідів повністю підтвердили випливає з принципу відносності залежність маси від швидкості ". Але маси, яка залежить від швидкості, немає в книзі Ейнштейна "Сутність теорії відносності". У нашому викладі ми слідуємо цій класичній книзі і класичного підручника Л. Д. Ландау і Є. М. Ліфшиця "Теорія поля".)

Найважливіше полягає в тому, що ейнштейнівська формула розкриває можливість взаємних перетворень енергії і маси. Або, що в точності те ж, можливість перетворень енергії спокою в інші види енергії. Тому тепер маса і енергія зберігаються не по-окремо, а разом: замість двох по видимості різних законів збереження ньютонівської фізики в релятивістській фізиці діє один - об'єднаний закон збереження маси і енергії. Перший приклад перетворень маси і енергії Ейнштейн дав у тому ж 1905 році. Він міркував про випромінювання тілом електромагнітних хвиль, причому вважалося, що хвилі йшли від тіла симетрично у протилежних напрямках, так що тіло могло залишатися в спокої. Нехай хвилі забрали деяку енергію L (таке було прийняте у нього позначення). Тоді маса тіла повинна зменшитися на величину цієї енергії, поділеній на квадрат швидкості світла. У такому вигляді спочатку і з'явилася знаменита формула.

Ядерна енергетика

Взаємне перетворення маси і енергії, що описується формулою Ейнштейна, лежить в основі величезного розмаїття процесів у природі і техніці. Якщо відштовхуватися від прикладу, даного Ейнштейном, то можна говорити також і про збільшення маси тіла, якщо воно не випромінює, а, навпаки, поглинає прийшли симетрично ззовні хвилі. Маса тіла росте і у випадку, коли його тим чи іншим способом нагрівають: до маси приєднується масовий еквівалент доданої теплової енергії, тобто ця енергія, поділена на квадрат швидкості світла. Так що, наприклад, гарячу праску важче холодного. Але найбільш вражаючий приклад - перетворення маси в енергію при ядерних реакціях. Про це вперше заговорили через два десятиліття після створення теорії відносності, а зараз це стало найбільш багатообіцяючим напрямком в енергетиці сьогодення і майбутнього.

Всім відомо, що зірки світять за рахунок ядерних реакцій; в надрах Сонця йде ядерна реакція синтезу гелію з водню. Енергія виділяється і в ядерних реакціях розпаду, - наприклад, розпаду урану при поглинанні повільних нейтронів. Реакції обох типів, синтезу і розпаду, використовуються в ядерній зброї. На реакціях поділу працюють атомні електростанції. Реакції ядерного синтезу можуть стати найефективнішим (і, як вважають, безпечним) способом отримання енергії, коли їх вдасться здійснювати в керованому режимі. Пальне для термоядерних реакторів - воду - можна буде черпати в необмеженій кількості з світового океану. Будівництво та вивчення діючих експериментальних прототипів таких установок йде зараз повним ходом. Очікується, що найбільший міжнародний термоядерний реактор ТОКАМАК-ІТЕР буде запущений в 2010-2011 рр.., А ще через 20 років на його основі може бути побудована перша термоядерна електростанція. У всіх випадках виділення енергії маса продуктів ядерної реакції менше вихідної маси вступають в реакцію частинок. Різниця перетворюється в кінетичну енергію продуктів реакції. Але як виникає ця різниця мас?

Справа в тому, що маса кожного ядра визначається не лише індивідуальними масами складових його частинок нуклонів, тобто протонів і нейтронів. Важливо і взаємодія нуклонів між собою всередині ядра. Протони і нейтрони в ядрі пов'язані один з одним силами тяжіння, і це ядерне тяжіння набагато сильніше ньютонівського взаємного тяжіння. Сили, що діють усередині ядра, так і називаються ядерними силами. Щоб розтягнути частинки ядра один від одного, звільнити їх від ядерної тяжіння, потрібно, очевидно, затратити певну енергію. Але легко собі уявити, що з'єднання тих же нуклонів у ядро повинно супроводжуватися відведенням енергії з ядра. При злитті часток в ядро звільняється стільки ж енергії, скільки потрібно для їх звільнення з готового ядра. Утворюється ядро втрачає енергію, а згідно з формулою Ейнштейна, це означає і втрату маси. У результаті з-за ядерних сил маса ядра виявляється менше суми мас того ж числа вільних протонів і нейтронів. Так як повна енергія-маса зберігається, енергетичний еквівалент цієї відмінності переходить у кінетичну енергію продуктів реакції. Наведемо характерний приклад. Ядро гелію складається з двох протонів і двох нейтронів (мається на увазі найпоширеніший ізотоп гелій-4.) Маса цього ядра становить 4,0038 в атомних одиницях маси (1 а.е.м. - 1 / 12 частина маси атома вуглецю-12 , або 1.66 * 10 ^-24 грам). У тих же одиницях маса вільного протона є 1,00807, а маса вільного нейтрона 1,00888. Сумарна маса двох вільних протонів і двох вільних нейтронів - 4,0339 а.е.м. Звідси видно, що маса ядра гелію менше суми мас чотирьох нуклонів на величину 0,0301 а.е.м. Цей недолік маси називають дефектом маси. З цих цифр видно, що дефект маси складає трохи менше одного відсотка вихідної маси нуклонів. Але енергетичний еквівалент цієї величини величезний, - це може легко уявити собі кожен, хто хоч раз бачив кінокадри вибуху водневої бомби.

Граничний випадок перетворення маси і енергії - повний перехід всієї маси в енергію. Це можливо, якщо частка стикається з античастицей, - наприклад, електрон з позитроном. Частка і античастинка при цьому зникають (анігілюють), породжуючи фотони. Так як фотон - безмасові частка, сумарна маса частинки й античастинки цілком переходить у кінетичну енергію фотонів. Це реальний фізичний процес, давно вже вивчений не тільки теоретично, але й експериментально, що особливо важливо. У таких експериментах формула Ейнштейна перевірена та підтверджена з усією можливою точністю.

Енергія вогню

Відкриття ядерних джерел енергії нерідко порівнюють з підкоренням вогню древнім людиною. Згідно з археологічними даними, добувати вогонь навчилися в епоху пізнього палеоліту, і це досягнення, як вважається, остаточно відокремив людину від тваринного світу. Зоряне небо і вогонь - це те, що здавна хвилювало людини, займало його уяву і розум. Світло зірок і світло вогню мають одну природу - це результат перетворення маси в енергію. Про зірок ми вже говорили; скажімо тепер про вогонь. Фізичну суть вогню розкрила в дійсності лише теорія відносності. Вогонь - результат хімічної реакції горіння. Як і в ядерній реакції, при горінні сума мас продуктів реакції менше вихідної маси пального та окислювача (останнім найчастіше служить кисень повітря). Різниця початковій і кінцевій мас перетворюється в кінетичну (теплову) енергію продуктів реакції. Продукти реакції і розпечені ними до високих температур макроскопічні частинки вуглецю створюють полум'я, випромінюючи видимий оком світло. У енергію вогню переходить лише дуже мала частина маси пального і кисню. Справа в тому, що в хімічних реакціях беруть участь не ядра, а атоми і молекули. Дефект маси в молекулах набагато менше, ніж в ядрах. При об'єднанні атомів у молекулу або при перетвореннях одних молекул в інші зміна маси виявляється в десятки і сотні мільйонів разів менше, ніж в ядерних реакціях. Наприклад, при горінні метану в газовому пальнику перетворюється в тепло лише одна десятимільярдних частка маси спокою газу. Коли в топці спалюється тонна вугілля, в енергію переходить близько однієї трьохтисячної частки грама вугілля і використаного для горіння кисню.

У вогні хімічних реакцій відбувається те ж ейнштейнівське перетворення маси в енергію, що і, наприклад, в зірках. Будь-який вибух, військовий чи технічний, звичайнісінька теплова електростанція, що працює на газі, нафти або вугіллі, двигуни внутрішнього згоряння в автомобілях - все це і багато іншого існує і діє тільки тому, що в природі є можливість перетворення маси в енергію. Якби не це, сучасна цивілізація була б неможлива.

Але і це ще не все. Саме життя на землі немислима без перетворення маси в енергію. Цей процес відбувається в нас самих, просто коли ми дихаємо. При диханні в організм надходить кисень повітря, який йде на безперервне окислення органічних речовин (вуглецю в його з'єднаннях).

У результаті цього "внутрішнього горіння" виділяється енергія. Всі теплокровні тварини виробляють собі тепло в такого роду хімічних реакціях і черпають з них енергію для повсякденної активності. Ефективність цих процесів приблизно та ж, що і в згаданому вище прикладі газового пальника.

Природа маси

Повернемося на закінчення до фундаментальної фізики. Властивість маси перетворюватися в енергію (і навпаки) не було відомо в ньютонівської класичної фізики. Цей грандіозний резервуар енергії відкрила в природі теорія відносності. Вище ми спробували з'ясувати, що, чому і за яких умов відбувається з масою і енергією при їх взаємних перетвореннях. Але хотілося б по можливості наочно зрозуміти, як саме все це відбувається на самому глибинному рівні. Дійсно, яким чином від протона або нейтрона віднімається якась частина їх природної маси, коли нуклони об'єднуються в складне атомне ядро? Що за процеси розігруються всередині протона і між нуклонами під дією ядерних сил? Або при набагато менших енергіях, коли у атомів відбирається частина маси, нехай і зовсім невелика, при їхньому з'єднанні в молекулу? І взагалі, звідки береться маса у елементарних часток, що складають всі тіла природи? Чому ці маси настільки різні, і, наприклад, вільний електрон приблизно у дві тисячі разів легше вільного протона?

На ці питання немає відповіді. Проблема фізичної природи маси ще далеко не вичерпана; з часів Ньютона вона була і залишається чи не найгострішою у фундаментальній фізиці. Згідно з однією з активно обговорюваних в останні роки ідей, елементарні частки набувають маси завдяки взаємодії з деякою особливою елементарною частинкою, що має нульовий спін. У цієї гіпотетичної частинки вже є назва - Хіггс, або хіггсівський бозон, на ім'я автора цієї ідеї, але її існування поки не вдається довести в прямому лабораторному експерименті. Можливо, ситуація проясниться в найближчі кілька років, коли почнуться експерименти на прискорювачі нового покоління - Великому андронному коллайдері в Європейському центрі ядерних досліджень. З цим могутнім інструментом пов'язують зараз основні надії на новий рішучий крок у розгадці найважливіших таємниць природи.

Висновок

Протягом усієї історії людства поступово змінювалися уявлення про масу і її властивості. Створення Ейнштейном теорії відносності підвело тимчасовий підсумок у роботі натуралістів з розкриття основоположних законів природи, одним з яких якраз і є закон збереження маси. Підсумок тимчасовий, оскільки до цих пір не вивчено до кінця це дивовижне явище - маса. Мабуть, чим глибше ми підбираємося до розкриття основи матерії, тим більше нових труднощів і питань ставить перед нами природа. Але людина завжди володів допитливим розумом, величезним терпінням і чималу хитрість, що й допомагало йому у вивченні природних рушійних сил і постановці цих сил собі на службу. Ці властивості будуть допомагати йому і надалі пізнанні основних природних законів.

Говорячи про конкретне значення закону збереження маси, то ми не помилимося, якщо поставимо його на одне з перших місць у списку використовуваних людиною природних явищ. Практично всі хімічне виробництво (а саме розрахунок необхідної сировини та енерговитрат, обгрунтування того чи іншого методу виробництва кінцевого продукту) грунтується на законі збереження маси. Дефект мас (приватне прояв більш загального закону збереження маси-енергії) лежить в основі ядерної енергетики, що дала людині дешеву енергію, нові методи досліджень, лікування різних захворювань, нові методи виробництва та багато іншого. Можна сказати більше - саме завдяки дефекту мас світить Сонце та інші зірки, що забезпечує життя на Землі, а так само використання людиною альтернативної сонячної і вітряної енергії. Таке просте явище як горіння також грунтується на законі збереження маси, а адже саме вогонь допоміг людині освоїти рідну планету і перейти від полювання і збирання до сучасного промислового виробництва. Розглянутий закон відкриває перед нами нові способи отримання енергії та матеріалів, що в майбутньому відкриває шлях до зірок і освоєння Сонячної системи і галактики.

Таким чином можна зробити висновок про те, що вже в даний час закон збереження маси знаходить широке застосування в науці і техніці. Хоча на перший погляд він може здатися лише одним з фундаментальних принципів устрою світу, мало що з повсякденним життям, насправді на кожному кроці людина стикається з проявами цього закону. Мабуть, цивілізація не досягла б таких висот у своєму розвитку, не оволодій людина повною мірою законом збереження маси.

Література

1. Гельфер Я.М. Закони збереження. - М.: Наука, 1967. - 264 с.

2. Готт В.С. Дивовижний невичерпний пізнаваний світ. - М.: Знание, 1974. - 224 с.

3. Друянов Л.А. Закони природи і їх пізнання. - М.: Просвещение, 1982 .- 112 с., Іл.

4. Фізичний енциклопедичний словник / Гл.ред. А.М. Прохоров, - М.: Сов. Енциклопедія, 1983. -928 С., Іл., 2 л. кол. мул.

5. Філософський словник / За ред. І.Т. Фролова. - 4-е вид. - М.: Політвидав, 1981. - 445 с.

6. Матеріали з сайту http://www.astronet.ru