Matter-Energi Konvertering

En av de mer interessante triks vårt univers er i stand til å trylle er konvertering mellom materie og energi. Når du ser et lysglimt, mister objektet som slippes ut, en liten del av massen, og blir litt lettere. Likeledes når et objekt absorberer lys det får en liten mengde masse.
dette fenomenet er kjent som materie-energi konvertering. Den opererer på alle nivåer, fra bevegelse av elektroner mellom skall til fusjon og splitting av protoner og nøytroner i en kjerne. At en slik ting kunne skje i det hele tatt, er utrolig fordi elektromagnetiske bølger, som synlig lys, ser ut til å ikke ha noe til felles med de harde stoffene som hverdagsobjekter består av.

E=mc 2 ?

omfanget av konvertering mellom materie og energi styres Av den berømte relativistiske energiligningen E=mc2. I hovedsak forteller denne ligningen oss at den totale mengden energi tilgjengelig i en gitt mengde masse (hvis massen kunne konverteres fullt ut til energi) bestemmes ved å multiplisere masse med lysets hastighet kvadrert.
denne formelen kan utledes ved hjelp Av En anvendelse Av Spesielle Relativitetsteori (SR) formler. Jeg vil la ut avledning som du kan se det på en rekke nettsteder som her .
på dette punktet noen alarmer kan høres. I de tidlige kapitlene i denne boken fremhevet jeg en rekke problemer som ligger I SR teori. Hvis disse innvendingene er sanne, betyr det at denne energiligningen er feil? La oss sette det spørsmålet til side for nå og undersøke konverteringsprosessen.

Bohrs Hydrogenatom

i et tidligere kapittel om atombaner så vi På Bohr-modellen av hydrogenatomet. I denne modellen går elektroner bare i faste avstander fra kjernen og kan hoppe mellom baner. Når et elektron hopper fra en høy til en lav bane (dvs. nærmere kjernen), avgir den en foton av spesifikk frekvens.materie-energi – konverteringsprinsippet forteller oss at når denne fotonen slippes ut, må atomets masse reduseres fordi energi er opprettet. Dette reiser et interessant spørsmål. Hvis massen gikk ned, hvilken del av atomet mistet den?de eneste delene av hydrogenatomet er proton og elektron. Mister protonen eller elektronen? Siden elektronen er objektet som beveger seg mellom skall (i faste baner), er det antagelig dette som mister masse. Akk, dette skaper et dilemma.Bohr har en ligning som nøyaktig forutsier frekvensene basert på hvilke skall elektronen flyttet mellom. Det er i denne formen:

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

hvor f er frekvens, k er coulombs konstant, e er elektronladning, h Er Plancks konstant og n1 og n2 er heltallsverdier for skjellene som flyttes mellom.
Merk m i denne ligningen som representerer elektronmasse. Hvis den massen endret seg, ville den beregnede frekvensen være forskjellig. Med tanke på at denne ligningen forutsier frekvensene riktig, indikerer dette at massen ikke kan endres. Tross alt vil en nedgang i masse sikkert endre sin orbitale oppførsel.
Så Hvis elektronen ikke mister masse, hva med protonen? Å se som det er langt tyngre, kan protonen sikkert ha råd til å miste ganske mye. Så vidt vi kan fortelle, er protonen ikke involvert i elektronens overgang mellom skall. Så det virker rart at protonen skal miste noe.likevel er det faktum at energifrigjørende kjemiske og kjernefysiske reaksjoner forårsaker at materialer blir lettere, ubestridelig. Hvordan kunne dette være? Vi må se nærmere på mulige mekanismer involvert.

Forstå masse

for å bestemme hvordan massetapet kan oppstå, bør du vurdere spørsmålet:
hva er masse?
Ok, Det er en tøff en. Så la oss omformulere:
Hvordan måler vi masse?
det er lettere. I utgangspunktet er det to måter: den ene er av tyngdekraften og den andre av treghet. Å bruke tyngdekraften til å måle masse innebærer å sette en masse på en skala, som en fjærskala, og måle kraften basert på strekningen av våren. Bruk av treghet innebærer å bruke en kjent kraft til en masse og måle akselerasjonshastigheten.i praksis er tyngdekraften det enklere alternativet. Problemet med tyngdekraften er imidlertid at målingen varierer med gravitasjonsfeltet. For eksempel vil en vårskala vise en sjettedel masse mens du er på Månen, og null mens du er ombord på en bane satellitt. Inerti-baserte målinger har ikke dette problemet og vil gi det samme resultatet overalt. Så la oss fokusere på inerti – baserte målinger og la tyngdekraften aspekter for senere.Hvis noe om prosessen med elektroner som beveger seg mellom baner forårsaket en treghetsbasert måling for å registrere en mindre verdi av masse, ville det få objektet til å virke lettere?

Forstå Newton

bevegelsen av objekter styres Av Newtons Bevegelseslover. Disse lovene omfatter prinsippene for momentum og energisparing. Vi ser disse prinsippene i aksjon overalt; de fungerer alltid, og vi har ingen grunn til å tvile på dem.
Et annet prinsipp er likevekt av krefter. Hvis du skyver mot et objekt, skyver det alltid tilbake med like stor kraft i motsatt retning. Den gjennomsnittlige personen vet dette som “for hver handling er det en lik og motsatt reaksjon”” Til “lik og motsatt” kan vi legge til “og samtidig” fordi reaksjonskraften alltid skyver tilbake på samme øyeblikk.
Eller gjør det?
når du presser mot noe, skyver du det ikke direkte. For eksempel når du bruker hånden til å lukke en dør, berører hånden ikke døren. I stedet kommer elektronene som omgir atomene i ytre lag av hånden, svært nær elektronene på dørens overflate. På dette punktet skyver elektronlagene mot hverandre, tvinger hånden og døren fra hverandre.
kraften du føler er egentlig bare elektrostatisk avstøtning. Elektronene avviser hverandre med like stor kraft, og dette gir” lik og motsatt ” effekt.
Nå her er hvor det blir interessant. Vi vet at ladede partikler ikke presser hverandre direkte. I stedet genererer hver partikkel et felt, og det feltet interagerer deretter med andre partikler. Vi vet også at feltet reiser med begrenset hastighet: lyshastighet. Derfor er det en kort forsinkelse mellom når en partikkel beveger seg og en annen reagerer.

En Tids-og Bevegelsesstudie

for å forstå konsekvensene av forsinket respons, la oss studere en enkel situasjon som involverer ladede partikler. Se nedenfor.

i diagrammet ovenfor holdes to positivt ladede partikler en fast avstand fra hverandre. La venstre og høyre partikler kalles partikler 1 og 2, og farget henholdsvis blå og grønn. For enkelhets skyld sier vi at de hver har en ladning på 1 (i vilkårlig enheter), en masse på 1, og er adskilt med en avstand på 1. De står stille, holdes på plass, og hver opplever en motsatt kraft på 1 Newtons.
la lysets hastighet være 1 enhet-avstand per sekund, noe som betyr at det vil ta 1 sekund for feltet å kommunisere mellom partikler. Tiden er nå t-minus-ett sekunder. Vi vil holde partiklene i denne posisjonen i 1 sekund for å gi tid for deres statiske felt å nå hverandre.
Nå på t = 0 sekunder slipper vi begge partiklene. Vi gir partikkelen 2 (til høyre) en skarp nudge mot partikkelen 1 slik at den nå reiser med 50% lysets hastighet. Se nedenfor.

Vi ønsker å vite hvordan disse partiklene vil bevege seg og hva effekten av feltforsinkelsen vil ha. Til å begynne med, la oss ta standardsaken der vi antar at lyset beveger seg med uendelig hastighet og interaksjoner er umiddelbare.

diagrammene ovenfor viser posisjon og hastighet for partikler 1 og 2 over en periode på 1,5 sekunder. Figur 3 viser deres posisjoner (blå og grønne linjer), med den røde linjen som deres massesenter. Figur 4 viser hastigheter med den røde linjen som representerer total momentum. Som forventet beveger massesenteret seg i en rett linje og momentum er bevart; forblir konstant gjennom hele.
Neste vil vi sette lysets hastighet på 1 enhet per sekund.

Figur 5 viser hastigheten til partikler 1 og 2 og total momentum (samme fargevalg). I de første 0,8 sekundene følger partikkel 1 (blå) samme bane som før. Plutselig blir det truffet med virkningen av partikkel 2s felt som beveger seg ved 0,5 c til venstre, noe som øker 1s akselerasjon.
Partikkel 2 (grønn) er forskjellig fra det forrige scenariet. Det føles umiddelbart en stor motstand på grunn av bevegelsen i partikkel 1s eksisterende felt. På 1.2 sekunder, partikkel 2 føles en reduksjon i kraft fra partikkel 1s felt, på grunn av partikkel 1s første bevegelse til venstre. Partikkel 2s akselerasjon avtar da litt (selv om det er vanskelig å se i diagrammet).
det som er viktigere er imidlertid momentumet (rød linje). Som det kan sees er det ikke en konstant og har ikke blitt bevart.diagrammet ovenfor (figur 5) ble laget ved HJELP AV VDCL (Velocity Dependent Coulombs Lov). Til sammenligning, la oss gjenta ovenstående ved hjelp av standard Coulombs Lov.

i Figur 6 oppfører partikkel 1 (blå) seg veldig lik den uendelige lysets hastighet. Så på 0,92 sekunder blir det rammet av en økning i felt fra partikkel 2. Partikkel 2 (grønn) føles umiddelbart en økning i kraft fra partikkel 1, på grunn av å være nærmere; selv om kraften ikke øker så mye som MED VDCL-saken. Så på 1, 36 sekunder opplever det en liten nedgang i kraft på grunn av partikkel 1s bevegelse (selv om det er vanskelig å se i diagrammet).det viktige å merke seg er imidlertid at momentum (rød linje) fortsatt ikke er bevart, selv med standard Coulombs Lov. Selv om DET ikke er så forvrengt SOM vdcl-saken.

Spille krokket

La oss se på hvordan dette kan oversette til tap av masse. Tenk deg at du holder en krokket klubbe (hammer) og er i ferd med å treffe en ball. Se nedenfor.

i venstre ramme nærmer hammeren en stasjonær ball. I høyre ramme klubbe har truffet ballen som nå fart bort. Hvis vi vet massen av klubbe og hastigheter på objektene før og etter, kan vi bestemme massen av ballen ved hjelp av momentum bevaring lover.la Oss nå si at det er en rad med lignende baller, og du slår dem en om gangen, og bruker samme mengde kraft til hammeren hver gang. Når du gjør det, observerer du at hver ball beveger seg bort i samme hastighet. Du slår deretter en ball og legger merke til at den beveger seg bort med høyere hastighet.Din første tanke ville være at denne ballen må være lettere enn de andre. Denne konklusjonen vil være basert på din kjennskap til momentumlover. Men hva om ballen faktisk hadde samme masse som de andre og likevel presset hardere mot hammeren? Dette ville føre til at det å bevege seg bort raskere og gi inntrykk av at det var lettere. Hvordan kunne det skje?
Sammenlign bevegelsen mellom figur 4 og 5 ovenfor. I figur 5, legg merke til at når partikkel 2 (grønn) først flyttet raskt til venstre, mottok den et sterkt trykk fra feltet partikkel 1 (blå). Dette førte til at partikkel 2 ble presset raskere til høyre enn det gjorde i figur 4. Til å begynne med så partikkel 1 ingen av denne bevegelsen, og da den gjorde det, var den lenger unna og hadde dermed mindre respons. Nettoresultatet var at partikkel 2 flyttet raskere bort fra partikkel 1, som om den var lettere.
nøkkelen her er akselerasjon. Partikkel 2 følte en plutselig økning i motsatt kraft fordi den økte hastigheten mot partikkel 1. Hadde partikkel 2 nærmet seg 1 fra en stor avstand med jevn hastighet, ville 1 og 2 oppleve like og motsatte krefter.

Elektronbaner

La oss nå se på hvordan dette kan påvirke atomer. Når et elektron faller til en lavere bane, beveger den seg nærmere kjernen og føles en større attraktiv kraft. Mye som planeter nær Solen, ville det trenge å bane raskere for å opprettholde stabiliteten.Men ikke bare vil hastigheten øke, så også vil akselerasjonen når den ses langs en retning. Effektene av dette kan ses i folgende rekkefolge av diagrammer.

Ovenfor er to hydrogenatomer med deres elektroner i forskjellige baner. Det øverste atomet har en høy bane og det nederste atom en lav bane. Til venstre er en vegg av elektroner som representerer den ytre huden til et nærliggende objekt. På denne avstanden er veggen for langt unna til å ha stor effekt på atomene.

nå er veggen (over) i avstand hvor partiklene samhandler med den. Den høye bane elektronen beveger seg og akselererer sakte inn i feltet av den nærliggende veggen. Som et resultat hvis føles en svak motstridende kraft. Den lave bane elektronen beveger seg og akselererer raskt inn i feltet av den nærliggende veggen. Som et resultat føles det en sterk motstridende kraft.resultatet er at det lave baneatomet beveger seg raskere bort fra objektet enn det høye baneatomet.

Dette gir inntrykk av at atomet med lav bane veier mindre enn atomet med høy bane, mens de i virkeligheten veier det samme.

selvfremdrift?

som det fremgår av de ovennevnte demonstrasjonene, som ble avledet fra datasimuleringer forresten, forårsaker den begrensede lysets hastighet momentum og massesenter ikke å bli perfekt bevart. En interessant søknad oppstår fra dette.det bør være teoretisk mulig å få et objekt til å skifte sitt massesenter uten å skyve mot et eksternt objekt. Dette vil innebære at elektrisk ladede komponenter i objektet blir akselerert mot hverandre på en hensiktsmessig måte. Gjort riktig, vil dette føre til en netto økning av hastighet i en gitt retning. Hvis denne prosessen ble gjentatt kontinuerlig, ville det føre til ønsket slutthastighet, enda større enn lyshastighet, uten å måtte skille ut et drivmiddel.
For å se hvordan dette kan fungere i virkeligheten, se dette supplerende kapittel:
Ideer For Drivløs Fremdrift (

Andre hensyn

ovennevnte formodninger er ufullstendige da de ikke gir ligninger for å forutsi omfanget av tilsynelatende massetap. Vi må også vurdere hvordan dette massetapet kan fungere ved tyngdekraftmålinger og hvordan sammenføyning av protoner og nøytroner kan forårsake endringer i masse.

Konklusjoner

Newtons bevegelseslover er basert på en antagelse om at motstridende krefter mellom objekter opererer samtidig. Under normale situasjoner er dette en helt rimelig antagelse. Når to objekter påvirker hverandre, dvs. ‘berøring’, er avstanden mellom dem så liten, og lysets hastighet så fort, at responstiden kan betraktes som øyeblikkelig.
Men dette er ikke alltid tilfelle. Den endelige hastigheten til elektriske felt betyr at under situasjoner med høy akselerasjon følger ikke bevegelsen av ladede partikler den forventede Newtonske banen.når elektroner beveger seg inn i lavere baner, beveger de seg og akselererer raskere. Dette får dem til å gi en høyere grad av avstøtning mot feltet av et andre atom. Dette kan igjen få det første atomet til å se ut til å ha mistet masse, når massen faktisk ikke har endret seg.

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert.