E=mc2
Zgodnie z teorią względności masa jest formą energii. Podczas wybuchów bomb atomowych maleńki ułamek masy jąder atomowych dostarcza ogromnej niszczycielskiej mocy.
Masa wszystkich produktów rozszczepienia ciężkiego jądra jest mniejsza niż początkowa masa jądra. Również po reakcji syntezy masa powstałego jądra jest mniejsza od sumy mas dwóch jąder początkowych.Brakująca masy przekształca się w energie. Na początku XXw. Alber Einstein podał swój słynny wzór E=mc2
Jej pierwsze wyprowadzenie było w istocie logicznie niepoprawne, a przynajmniej niepełne. W swojej drugiej z kolej pracy dotyczącej teorii względności, a pochodzącej z września 1905 roku, Albert Einstein rozważał inercję ciała, gdy to traci energię, emitując światło. Inercja określana jest właśnie przez masę ciała. Rozumowanie, które doprowadziło Einsteina do ustalenia relacji między energią a masą, zawiera logiczny błąd. Wielki fizyk przewidział zapewne postać formuły, więc nie troszczył się o szczegóły wyprowadzenia. Wcale nierzadko się zdarza w naukowej twórczości, że dedukcyjny wywód służy jedynie uzasadnieniu nowatorskiej idei. Jej pochodzenie należy wtedy przypisać genialnej intuicji uczonego.
Energia wiązania i defekt masy
Jądra atomowe są nadzwyczaj trwale zbudowane jeśli weźmiemy pod uwagę potężne siły przyciągające między protonami a neutronami. Aby z jądra wyrwać proton lub neutron, trzeba dostarczyć znacznej energii. Dlatego też tylko szybkie "pociski jądrowe" mogą wywołać takie reakcje.
Szczególnie większych ilości energii wymagałoby całkowite rozbicie jąder atomowych. Energia potrzebna do uwolnienia z jądra wszystkich zawartych w nim protonów i neutronów nazywa się energią wiązania jądra.
Przy oznaczaniu energii wiązania różnych jąder, uczeni wykorzystują zasady współzależności masy i energii. W naturze bowiem, stwierdzamy nierozerwalny związek między masą i energią, którą można wyrazić za pomocą omawianego wzoru.
Zgodnie z tą zależnością, każdej zmianie energii towarzyszy odpowiednia zmiana masy ciała. Zazwyczaj nie dostrzegamy zmiany masy wiążącej się z oddawaniem lub przyjmowaniem energii, ponieważ w świecie makroskopowym zmiany masy związane ze zmianami energii są znikome, np. podczas ogrzania 1 litra wody do 100o zwiększamy jej masę o 5 miliardowych części grama.
Zmianę masy można zauważyć tylko przy wielkich ilościach energii, np. masa promieniowania, które wysyła Słońce w ciągu roku wynosi 1220000000 ton, wielkość ta stanowi zaledwie jedną stumiliardową część masy Słońca.
Energia, z jaką mamy do czynienia w świecie jąder atomowych jest nadzwyczaj wielka, dlatego właśnie tu należy uwzględnić prawo zależności masy od energii.
Podczas tworzenia się jądra z protonów i neutronów wyzwala się energia atomowa. Towarzyszy temu ubytek pewnej części masy cząstek, w których powstaje jądro. Dlatego też, masa jądra zawsze okazuje się mniejsza od sumy mas cząstek, z których się ono tworzy. Aby jednak stwierdzić tę różnicę, trzeba zmierzyć masę jąder z bardzo dużą dokładnością.
Fakt, iż jądro atomowe złożone z pewnej ilości protonów i neutronów, ma inną masę niż te protony i neutrony z osobna, jest zdumiewający. Czy możliwe jest np. aby zbiór 19 piłeczek pingpongowych, z których każda ważona oddzielnie ma masę 1 grama, ważył w całości mniej niż 19 g. Zdawać by się mogło, że jest to wykluczone a jednak w świecie jąder atomowych, tego typu zjawisko występuje i nosi nazwę defektu masy lub niedoboru masy. Zasada współzależności masy i energii odgrywa ważną rolę we współczesnej nauce. Znajomość energii wiązania różnych jąder atomowych pozwala na stwierdzenie, które z nich nadają się do praktycznego otrzymywania energii atomowej.
Z wzoru E=mc2 można obliczyć energie , ale również po przekształceniu można obliczyć masę, czyli m = E/c2 i prędkość światła c=/E:m (pierwiastek)
Deficyt masy można spotkać w:
a) reakcji syntezy
14N + 4He → 17O + 1p + Δm gdzie Δm = -0,001282 u co odpowiada -1,143•108 kJ/mol.
b) rozszczepienie jądra atomowego:
c) różnica pomiędzy masą jądra atomowego a sumą mas nukleonów składowych:
Dla jądra 4He o masie 4,00150 zawierającego 2 protony (mp = 1,00727) i 2 neutrony (mn = 1,00866) suma mas nukleonów wynosi 4,03186, a więc deficyt masy Δm = 2mp + 2mn - mHe = 0,03036 u, co odpowiada 2,73•109 kJ/mol.
Teraz przejdźmy do obliczeń, aby zrozumieć teorie.
Słońce wypromieniowuje w ciągu każdej sekundy energii. Obliczmy jaką masę traci słońce w ciągu 1s.
E = c= 3•108 m=?
E=mc^2
M= E/c^2
M = / 3•108 ^2
M= / 9•1016
M= 38/9 = 4,2 * 10^10 = 42000000000kg = 42000000Ton
Teraz obliczmy jaką energie wytwarza 1kg i porównajmy do zużytej enegri żarówki 100w święcącej całą dobe.
E=? M= 1kg C= 3•108 m/s
E= 1kg * 3•108^2 m/s
E=9•1016 J
.P = 100 W
t = 24 h = 24 *3600 s = 86400 s
E = W = ?
P = W/t
W = P*t
W = 100 W * 86400 s
W = 8640000 J
Energia zużytą przez żarówkę 100w świecącej przez całą dobre wynosi 8640000 J
A energia powstała z 1kg masy pewnego atomu wynosi 90000000000000000J
Autor: Kreft Dawid