Materie – energi konvertering

et af de mere interessante tricks, som vores univers er i stand til at trylle frem, er omdannelsen mellem stof og energi. Når du ser en lysglimt, mister objektet, der udsendte det, en lille brøkdel af sin masse og bliver lidt lettere. Ligeledes når et objekt absorberer lys det får en lille mængde af masse.
dette fænomen er kendt som materie-energi konvertering. Det fungerer på alle niveauer, fra bevægelse af elektroner mellem skaller til fusion og opdeling af protoner og neutroner i en kerne. At sådan noget overhovedet kunne ske, er forbløffende, fordi elektromagnetiske bølger, såsom synligt lys, ser ud til at have noget til fælles med de hårde stoffer, som hverdagsgenstande er sammensat af.

E=mc 2 ?

omfanget af konvertering mellem stof og energi styres af den berømte relativistiske energiligning E=mc2. I det væsentlige fortæller denne ligning os, at den samlede mængde energi, der er tilgængelig i en given mængde masse (hvis massen kunne konverteres fuldt ud til energi), bestemmes ved at multiplicere massen med lysets hastighed kvadreret.
denne formel kan udledes ved hjælp af en anvendelse af særlige relativitetsteori (SR) formler. Jeg vil udelade afledningen, som du kan se den på en række steder som her .
På dette tidspunkt lyder nogle alarmer muligvis. I de tidlige kapitler i denne bog fremhævede jeg en lang række problemer, der er forbundet med SR-teorien. Hvis disse indvendinger er sande betyder det, at denne energi ligning er defekt? Lad os lægge dette spørgsmål til side for nu og undersøge processen med konvertering.

Bohrs hydrogenatom

i et tidligere kapitel om atombaner kiggede vi på Bohr-modellen af hydrogenatomet. I denne model kredser elektroner kun i faste afstande fra kernen og er i stand til at hoppe mellem baner. Når en elektron hopper fra en høj til en lav bane (dvs.tættere på kernen) udsender den en foton med specifik frekvens.materie-energi-konverteringsprincippet fortæller os, at når denne foton udsendes, skal atomets masse falde, fordi der er skabt energi. Dette rejser et interessant spørgsmål. Hvis dens masse faldt, hvilken del af atomet mistede det?de eneste dele af hydrogenatomet er proton og elektron. Mister protonen eller elektronen? Da elektronen er det objekt, der bevæger sig mellem skaller (i faste baner), er det formodentlig dette, der mister masse. Ak, dette skaber et dilemma.Bohr har en ligning, der præcist forudsiger frekvenserne baseret på hvilke skaller elektronen flyttede mellem. Det er i denne form:

f=\frac{2 \pi ^2 k^2 e^4 m}{h^3}\venstre(\frac{1}{n_1{}^2}-\frac{1}{n_2{}^2}\højre)

hvor f er frekvens, k er Coulombs konstant, e er elektronladning, h er Plancks konstant og N1 og N2 er heltalsværdier for de skaller, der flyttes mellem.
Bemærk m i denne ligning, som repræsenterer elektronmasse. Hvis denne masse ændrede sig, ville den beregnede frekvens være anderledes. I betragtning af at denne ligning forudsiger frekvenserne korrekt, indikerer dette, at dens masse ikke kan ændre sig. Når alt kommer til alt ville et fald i masse helt sikkert ændre dets orbitale opførsel.
så hvis elektronen ikke mister masse, hvad med protonen? Da det er langt tungere, kunne protonen helt sikkert have råd til at tabe en hel del. Så vidt vi kan fortælle, er protonen imidlertid ikke involveret i elektronens overgang mellem skaller. Så det virker underligt, at protonen skulle miste noget.
men det faktum, at energifrigivende kemiske og nukleare reaktioner får materialer til at blive lettere, er ubestrideligt. Hvordan kunne det være? Vi er nødt til at se nærmere på de mulige mekanismer, der er involveret.

forståelse af masse

for at bestemme, hvordan massetabet kan forekomme, overvej spørgsmålet:
Hvad er masse?
det er svært. Så lad os omformulere:
Hvordan måler vi masse?
det er nemmere. Dybest set er der to måder: den ene er ved tyngdekraften og den anden ved inerti. Brug af tyngdekraften til at måle masse indebærer at lægge en masse på en skala, som en fjederskala, og måle kraften baseret på fjederens strækning. Brug af inerti indebærer anvendelse af en kendt kraft på en masse og måling af dens accelerationshastighed.
i praksis er tyngdekraften den lettere mulighed. Problemet med tyngdekraften er imidlertid, at målingen varierer med tyngdefeltet. For eksempel ville en fjederskala vise en sjettedel masse, mens den var på Månen, og nul, mens den var ombord på en kredsende satellit. Inerti-baserede målinger har ikke dette problem og vil give det samme resultat overalt. Så lad os fokusere på inerti-baserede målinger og lade tyngdekraftsaspekterne være til senere.
nu til et meget vigtigt spørgsmål:
hvis noget ved processen med elektroner, der bevæger sig mellem kredsløb, forårsagede en inerti-baseret måling for at registrere en mindre værdi af masse, ville det få objektet til at virke lettere?

forståelsen af objekter styres af bevægelseslove. Disse love omfatter principperne om momentum og energibesparelse. Vi ser disse principper i aktion overalt; de fungerer altid, og vi har ingen grund til at tvivle på dem.
et andet princip er ligevægten af kræfter. Hvis du skubber mod et objekt, skubber det altid tilbage med en lige stor kraft i modsat retning. Den gennemsnitlige person kender dette som”for hver handling er der en lige og modsat reaktion”. Til “lige og modsat “kan vi tilføje” og samtidig”, fordi reaktionskraften altid skubber tilbage på samme øjeblik.
eller gør det?
når du skubber mod noget, skubber du det faktisk ikke direkte. For eksempel når du bruger din hånd til at lukke en dør, rører din hånd faktisk ikke døren. I stedet kommer elektronerne omkring atomerne i det ydre lag af din hånd meget tæt på elektronerne på dørens overflade. På dette tidspunkt skubber elektronlagene mod hinanden og tvinger din hånd og døren fra hinanden.
Den kraft, du føler, er virkelig bare elektrostatisk afstødning. Elektronerne afviser hinanden med en lige stor kraft, og dette giver den “lige og modsatte” effekt.
nu er det her, hvor det bliver interessant. Vi ved, at ladede partikler ikke skubber hinanden direkte. I stedet genererer hver partikel et felt, og dette felt interagerer derefter med andre partikler. Vi ved også, at marken kører med en begrænset hastighed: lyshastighed. Derfor er der en kort forsinkelse mellem, når en partikel bevæger sig, og en anden reagerer.

en tids-og Bevægelsesundersøgelse

for at forstå konsekvenserne af forsinket respons lad os studere en simpel situation, der involverer ladede partikler. Se nedenfor.

i ovenstående diagram holdes to positivt ladede partikler en fast afstand fra hinanden. Lad de venstre og højre partikler kaldes henholdsvis partikler 1 og 2 og farvet blå og grøn. For enkelhedens skyld vil vi sige, at de hver især har en ladning på 1 (i vilkårlige enheder), en masse på 1 og adskilles med en afstand på 1. De står stille, holdes på plads, og hver oplever en modsat styrke på 1 nyhed.
Lad lysets hastighed være 1 enhedsafstand pr.sekund, hvilket betyder, at det vil tage 1 sekund for feltet at kommunikere mellem partikler. Tiden er nu T-minus-et sekund. Vi holder partiklerne i denne position i 1 sekund for at give tid til, at deres statiske felter når hinanden.
nu ved t=0 sekunder frigiver vi begge partikler. Vi giver partiklen 2 (til højre) et skarpt skub mod partiklen 1, så den nu bevæger sig med 50% lysets hastighed. Se nedenfor.

Vi ønsker at vide, hvordan disse partikler vil bevæge sig, og hvad effekten af feltforsinkelsen vil have. Til at begynde med lad os dog tage standardsagen, hvor vi antager, at lys bevæger sig med uendelig hastighed, og interaktioner er øjeblikkelige.

ovenstående diagrammer viser position og hastighed af partikler 1 og 2 over en 1,5 sekunders periode. Figur 3 viser deres positioner (blå og grønne linjer), hvor den røde linje er deres centrum for massen. Figur 4 viser hastigheder med den røde linje, der repræsenterer total momentum. Som forventet bevæger massens centrum sig i en lige linje, og momentum bevares; forbliver konstant overalt.
Næste sætter vi lysets hastighed på 1 enhed pr.

figur 5 viser hastigheden af partiklerne 1 og 2 og total momentum (samme farveskema). I de første 0,8 sekunder følger partikel 1 (Blå) den samme vej som før. Pludselig rammes det med virkningen af partikel 2 ‘s felt, der bevæger sig ved 0,5 c til venstre, hvilket øger 1’ s acceleration.
partikel 2 (grøn) er forskellig fra det foregående scenario. Det føles straks en stor modstand på grund af dens bevægelse i partikel 1 ‘ s eksisterende felt. Ved 1.2 sekunder føler partikel 2 et fald i kraft fra partikel 1 ‘s felt på grund af partikel 1’ s oprindelige bevægelse til venstre. Partikel 2 ‘ s acceleration falder derefter lidt (selvom det er svært at se i diagrammet).
hvad der er vigtigere er dog momentum (rød linje). Som det kan ses, er det ikke en konstant og er ikke bevaret.
ovenstående diagram (figur 5) blev lavet ved hjælp af Vdcl (hastighedsafhængig Coulombs lov). Til sammenligning, lad os gentage ovenstående ved hjælp af standard Coulombs lov.

i figur 6 partikel 1 (Blå) opfører sig meget ligner situationen med uendelig hastighed. Derefter på 0,92 sekunder rammes det af en stigning i felt fra partikel 2. Partikel 2 (grøn) føler straks en stigning i kraft fra partikel 1 på grund af at være tættere; skønt kraften ikke øges så meget som med VDCL-sagen. Så på 1,36 sekunder oplever den et lille fald i kraft på grund af partikel 1 ‘ s bevægelse (selvom det er svært at se i diagrammet).det vigtige at bemærke er dog, at momentum (rød linje) stadig ikke bevares, selv med standard Coulombs lov. Selvom det ikke er så forvrænget som vdcl-sagen.

spille kroket

lad os se på, hvordan dette kan oversætte til et tab af masse. Forestil dig, at du holder en krokethaller (hammer) og er ved at ramme en bold. Se nedenfor.

i venstre ramme nærmer mallet en stationær bold. I den rigtige ramme har mallet ramt bolden, som nu kører hurtigt væk. Hvis vi kender massen af mallet og hastigheder af objekterne før og efter, kan vi bestemme massen af bolden ved hjælp af momentum bevaringslove.
Lad os nu sige, at der er en række lignende bolde, og du slår dem en ad gangen og anvender den samme mængde kraft på mallet hver gang. Når du gør det, bemærker du, at hver bold bevæger sig væk med samme hastighed. Du slår derefter en bold og bemærker, at den bevæger sig væk med en højere hastighed.
din første tanke ville være, at denne bold skal være lettere end de andre. Denne konklusion ville være baseret på din fortrolighed med momentum love. Men hvad nu hvis bolden faktisk havde den samme masse som de andre og alligevel på en eller anden måde skubbede hårdere mod mallet? Dette ville få det til at bevæge sig hurtigere væk og give indtryk af, at det var lettere. Hvordan kunne det ske?
Sammenlign bevægelsen mellem figur 4 og 5 ovenfor. I figur 5 skal du bemærke, at når partikel 2 (grøn) oprindeligt bevægede sig hurtigt til venstre, modtog den en stærk Push-back fra feltet af partikel 1 (Blå). Dette fik partikel 2 til at blive skubbet hurtigere til højre, end det gjorde i figur 4. Oprindeligt så partikel 1 ingen af denne bevægelse, og da den gjorde det, var den længere væk og havde således mindre respons. Nettoresultatet var, at partikel 2 bevægede sig hurtigere væk fra partikel 1, som om den var lettere.
nøglen her er acceleration. Partikel 2 følte en pludselig stigning i modsatrettede kraft, fordi det øgede sin hastighed mod partikel 1. Havde partikel 2 nærmet sig 1 fra en stor afstand med stabil hastighed, ville 1 og 2 opleve lige og modsatte kræfter.

elektronbaner

lad os nu se på, hvordan dette kan påvirke atomer. Når en elektron falder til en lavere bane, bevæger den sig tættere på kernen og føler en større attraktiv kraft. Ligesom planeter tæt på Solen, ville det være nødvendigt at bane hurtigere for at opretholde stabiliteten.
men ikke kun vil hastigheden stige, det samme vil dens acceleration, når den ses langs en retning. Virkningerne af dette kan ses i følgende rækkefølge af diagrammer.

ovenfor er to hydrogenatomer med deres elektroner i forskellige baner. Det øverste atom har en høj bane og det nederste atom en lav bane. Til venstre er en mur af elektroner, der repræsenterer den ydre hud på et nærliggende objekt. På denne afstand er væggen for langt væk til at have stor indflydelse på atomerne.

nu er væggen (ovenfor) i afstand, hvor partiklerne interagerer med den. Elektronen med høj bane bevæger sig og accelererer langsomt ind i feltet for den nærliggende væg. Som et resultat, hvis føler en svag modsatrettede kraft. Elektronen med lav bane bevæger sig og accelererer hurtigt ind i feltet for den nærliggende væg. Som følge heraf føles det en stærk modsatrettede kraft.slutresultatet er, at atomet med lav bane bevæger sig hurtigere væk fra objektet end atomet med høj bane.

dette giver indtryk af, at atomet med lav bane vejer mindre end atomet med høj bane, mens de i virkeligheden vejer det samme.

Selvfremdrift?

som det kan ses af de ovennævnte demonstrationer, der blev afledt af computersimuleringer forresten, forårsager lysets begrænsede hastighed momentum og massecenter ikke perfekt bevaret. En interessant applikation stammer fra dette.det bør være teoretisk muligt at få et objekt til at flytte sit massecenter uden at skubbe mod et eksternt objekt. Dette ville indebære, at elektrisk ladede komponenter i objektet accelereres mod hinanden på en passende måde. Udført korrekt, ville dette medføre en nettostigning af hastighed i en given retning. Hvis denne proces blev gentaget kontinuerligt, ville det føre til en hvilken som helst ønsket sluthastighed, endnu større end lyshastighed, uden at skulle skubbe et drivmiddel ud.
for at se, hvordan dette kan fungere i virkeligheden, se dette supplerende kapitel:
ideer til Drivløs fremdrift (

andre overvejelser

ovenstående formodninger er ufuldstændige, da de ikke giver ligninger for at forudsige omfanget af tilsyneladende massetab. Vi skal også overveje, hvordan dette massetab kan fungere i tilfælde af tyngdekraftsmålinger, og hvordan sammenføjning af protoner og neutroner kan forårsage ændringer i masse.

konklusioner

er baseret på en antagelse om, at modsatrettede kræfter mellem objekter fungerer samtidigt. Under normale situationer er dette en helt rimelig antagelse. Når to objekter påvirker hinanden, dvs. ‘berøring’, er afstanden mellem dem så lille, og lysets hastighed så hurtig, at responstiden kan betragtes som øjeblikkelig.
men sådan er det ikke altid. Den endelige hastighed af elektriske felter betyder, at bevægelsen af ladede partikler under situationer med høj acceleration ikke følger den forventede nye vej.når elektroner bevæger sig ind i lavere baner, bevæger de sig og accelererer hurtigere. Dette får dem til at give en højere grad af afstødning mod et andet atoms felt. Dette kan igen få det første atom til at se ud til at have mistet masse, når dets masse faktisk ikke har ændret sig.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.