Materie-energie conversie

Een van de interessantere trucs die ons universum kan toveren is de conversie tussen materie en energie. Wanneer je een lichtflits ziet, verliest het object dat het uitstraalde een klein deel van zijn massa en wordt het iets lichter. Ook wanneer een object absorbeert licht het krijgt een kleine hoeveelheid massa.dit fenomeen staat bekend als de omzetting van materie en energie. Het werkt op alle niveaus, van de beweging van elektronen tussen schelpen tot de fusie en splitsing van protonen en neutronen binnen een kern. Dat zoiets zou kunnen gebeuren is verbazingwekkend, want op het eerste gezicht lijken elektromagnetische golven, zoals zichtbaar licht, niets gemeen te hebben met de harde stoffen waaruit alledaagse voorwerpen bestaan.

E = mc 2 ?

de mate van conversie tussen materie en energie wordt bepaald door de beroemde relativistische energievergelijking E=mc2. In wezen vertelt deze vergelijking ons dat de totale hoeveelheid beschikbare energie in een bepaalde hoeveelheid massa (als de massa volledig in energie kon worden omgezet) wordt bepaald door de massa te vermenigvuldigen met de snelheid van het licht in het kwadraat.
Deze formule kan worden afgeleid door gebruik te maken van speciale Relativiteitformules (Sr). Ik zal de afleiding weglaten zoals je het kunt zien op een aantal sites zoals hier .
Op dit punt kunnen sommige alarmen klinken. In de vroege hoofdstukken van dit boek heb ik gewezen op een veelheid van problemen die inherent zijn aan SR theorie. Als deze bezwaren waar zijn, betekent dat dan dat deze energievergelijking fout is? Laten we die vraag even opzij zetten en het proces van bekering onderzoeken.

Bohr ‘ s waterstofatoom

in een eerder hoofdstuk over atomaire banen hebben we gekeken naar het Bohr-model van het waterstofatoom. In dit model draaien elektronen alleen op vaste afstanden van de kern en kunnen ze tussen banen springen. Wanneer een elektron springt van een hoge naar een lage baan (dat wil zeggen dichter bij de kern) het zendt een foton van specifieke frequentie.het principe van de omzetting van materie en energie vertelt ons dat wanneer dit foton wordt uitgezonden, de massa van het atoom moet afnemen omdat er energie is gecreëerd. Dit roept een interessante vraag op. Als de massa daalde, welk deel van het atoom verloor het?de enige delen van het waterstofatoom zijn het proton en het elektron. Verliest het proton of het elektron? Aangezien het elektron het object is dat beweegt tussen schelpen (in vaste banen), is het vermoedelijk dit dat massa verliest. Helaas, dit creëert een dilemma.
Bohr heeft een vergelijking die nauwkeurig de frequenties voorspelt die gebaseerd zijn op de schelpen waar het elektron tussen bewoog. Het is in deze vorm:

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

waar f de frequentie is, k de constante van coulomb is, e de elektronenlading, h de constante van Planck en N1 en N2 zijn integer waarden voor de shells die worden verplaatst tussen.
noteer de M in deze vergelijking die elektronenmassa vertegenwoordigt. Als die massa zou veranderen dan zou de berekende frequentie anders zijn. Gezien het feit dat deze vergelijking de frequenties correct voorspelt, geeft dit echter aan dat de massa ervan niet kan veranderen. Immers, een afname van de massa zou zeker zijn baangedrag veranderen.als het elektron geen massa verliest, hoe zit het dan met het proton? Aangezien het veel zwaarder is, kan het proton zich zeker veroorloven om nogal wat te verliezen. Voor zover we weten is het proton echter niet betrokken bij de overgang van het elektron tussen schelpen. Het lijkt vreemd dat het proton iets verliest.maar het feit dat chemische en nucleaire reacties die energie vrijgeven materialen lichter maken is onmiskenbaar. Hoe kan dit? We moeten dieper ingaan op de mogelijke mechanismen die hierbij betrokken zijn.

inzicht in massa

om te bepalen hoe het massaverlies kan optreden, overweeg dan de vraag:
Wat is massa?oké, dat is een moeilijke. Dus laten we het anders zeggen:
Hoe meten we massa?
dat is makkelijker. In principe zijn er twee manieren: de ene is door zwaartekracht en de andere door inertie. Door zwaartekracht te gebruiken om de massa te meten, wordt een massa op een schaal geplaatst, zoals een veerschaal, en wordt de kracht gemeten op basis van het stuk van de veer. Het gebruik van traagheid impliceert het toepassen van een bekende kracht op een massa en het meten van de snelheid van de versnelling.in praktische termen is zwaartekracht de gemakkelijkste optie. Het probleem met zwaartekracht is echter dat de meting varieert met het zwaartekrachtveld. Bijvoorbeeld, een lenteschaal zou een zesde massa laten zien terwijl op de Maan, en nul aan boord van een baan satelliet. Op traagheid gebaseerde metingen hebben dit probleem niet en zullen overal hetzelfde resultaat geven. Dus laten we ons concentreren op op traagheid gebaseerde metingen en laten de zwaartekracht aspecten voor later.
nu voor een zeer belangrijke vraag:
als iets over het proces van elektronen die tussen banen bewegen een op traagheid gebaseerde meting veroorzaakte om een lagere waarde van massa te registreren, zou dat het object lichter maken?

Newton

de beweging van objecten wordt bepaald door de bewegingswetten van Newton. Deze wetten omvatten de beginselen van momentum en energiebesparing. We zien deze principes overal in werking; ze werken altijd en we hebben geen reden om daaraan te twijfelen.een ander principe is het krachtevenwicht. Als je tegen een object drukt ‘duwt het altijd terug’ met een gelijke hoeveelheid kracht in de tegengestelde richting. De gemiddelde persoon weet dit als “voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie”. Aan “gelijk en tegengesteld “kunnen we” en simultaan” toevoegen omdat de reactiekracht altijd op hetzelfde moment terugduwt.
of is dat zo?
als je tegen iets pusht, Push je het in feite niet direct. Als je bijvoorbeeld je hand gebruikt om een deur te sluiten, raakt je hand de deur eigenlijk niet aan. In plaats daarvan komen de elektronen rond de atomen in de buitenste laag van je hand heel dicht bij de elektronen op het oppervlak van de deur. Op dit punt duwen de elektronenlagen tegen elkaar aan, waardoor je hand en de deur uit elkaar worden geduwd.de kracht die je voelt is eigenlijk gewoon elektrostatische afstoting. De elektronen stoten elkaar af met een gelijke hoeveelheid kracht en dit geeft het “gelijke en tegenovergestelde” effect.
hier is waar het interessant wordt. We weten dat geladen deeltjes elkaar niet direct duwen. In plaats daarvan genereert elk deeltje een veld, en dat veld interageert dan met andere deeltjes. We weten ook dat het veld met een beperkte snelheid reist: lichtsnelheid. Daarom is er een korte vertraging tussen wanneer een deeltje beweegt en een ander reageert.

een tijd-en Bewegingsstudie

om de gevolgen van een vertraagde respons te begrijpen, bestuderen we een eenvoudige situatie met geladen deeltjes. Zie hieronder.

in het bovenstaande diagram worden twee positief geladen deeltjes op een vaste afstand van elkaar gehouden. Laat de linker-en rechterdeeltjes de deeltjes 1 en 2, respectievelijk blauw en groen worden genoemd. Voor de eenvoud zeggen we dat ze elk een lading van 1 hebben (in willekeurige eenheden), een massa van 1, en gescheiden zijn door een afstand van 1. Ze staan stil, worden op hun plaats gehouden en ervaren elk een tegengestelde kracht van 1 Newton.laat de lichtsnelheid 1 eenheid-afstand per seconde zijn, wat betekent dat het 1 seconde duurt voordat het veld Communiceert tussen deeltjes. De tijd is nu t-minus – een seconde. We houden de deeltjes 1 seconde in deze positie zodat hun statische velden elkaar kunnen bereiken.
nu op t=0 seconden, laten we beide deeltjes vrij. We geven deeltje 2 (rechts) een scherpe duwtje in de richting van deeltje 1 zodat het nu met 50% de lichtsnelheid reist. Zie hieronder.

we willen weten hoe deze deeltjes zullen bewegen en wat het effect van de veldvertraging zal hebben. Om te beginnen echter, laten we het standaard geval nemen waar we aannemen dat licht met oneindige snelheid beweegt en interacties onmiddellijk zijn.

de bovenstaande grafieken tonen de positie en snelheid van de deeltjes 1 en 2 over een periode van 1,5 seconde. Figuur 3 toont hun posities (blauwe en groene lijnen), met de rode lijn als middelpunt van de massa. Figuur 4 toont snelheden met de rode lijn die totale momentum. Zoals verwacht beweegt het centrum van de massa in een rechte lijn en blijft het momentum constant. hierna zetten we de snelheid van het licht op 1 eenheid per seconde.

Figuur 5 toont de snelheid van deeltjes 1 en 2 en de totale momentum (hetzelfde kleurenschema). Gedurende de eerste 0,8 seconden volgt deeltje 1 (Blauw) hetzelfde pad als voorheen. Plotseling wordt het geraakt door de impact van deeltje 2 ‘S veld bewegen op 0,5 c naar links, die verhoogt de versnelling 1’ s.
deeltje 2 (groen) verschilt van het vorige scenario. Het voelt onmiddellijk een grote weerstand als gevolg van zijn beweging in deeltje 1 ‘ s bestaande veld. Om 1 uur.2 seconden, deeltje 2 voelt een afname van de kracht van deeltje 1 ‘S veld, als gevolg van deeltje 1’ s eerste beweging naar links. De versnelling van deeltje 2 neemt dan licht af (hoewel moeilijk te zien in de grafiek).wat echter belangrijker is, is het momentum (rode lijn). Zoals te zien is het geen constante en is het niet bewaard gebleven.de bovenstaande grafiek (figuur 5) werd gemaakt met behulp van de Vdcl (Velocity Dependent Coulomb ‘ s Law). Ter vergelijking, laten we het bovenstaande herhalen met behulp van standaard Coulomb ‘ s wet.

in Figuur 6 gedraagt deeltje 1 (Blauw) zich zeer vergelijkbaar met de infinite-speed-of-light situatie. Dan op 0,92 seconden wordt het geraakt door een toename van het veld van deeltje 2. Deeltje 2 (groen) voelt onmiddellijk een toename van de kracht van deeltje 1, als gevolg van het dichterbij zijn; hoewel de kracht niet zo veel toeneemt als bij de vdcl-behuizing. Dan op 1,36 seconden ervaart het een lichte daling in kracht als gevolg van de beweging van deeltje 1 (hoewel moeilijk te zien in de grafiek).het belangrijkste om op te merken is echter dat het momentum (rode lijn) nog steeds niet behouden is, zelfs niet met de standaard wet van Coulomb. Hoewel het niet zo vervormd is als de vdcl-zaak.

Croquet Afspelen

laten we eens kijken hoe dit zich kan vertalen in een verlies van massa. Stel je voor dat je een croquet hamer (hamer) vasthoudt en op het punt staat een bal te raken. Zie hieronder.

in het linkerframe nadert de hamer een stilstaande bal. In het rechter frame heeft de hamer de bal geraakt die nu wegsnelt. Als we de massa van de hamer en de snelheden van de objecten voor en na kennen, kunnen we de massa van de bal bepalen met behulp van momentum behoud wetten.laten we nu zeggen dat er een rij van soortgelijke ballen zijn en je slaat ze een voor een, waarbij dezelfde hoeveelheid kracht wordt toegepast op de hamer elke keer. Terwijl je dat doet, zie je dat elke bal met dezelfde snelheid weg beweegt. Je slaat dan een bal en merkt dat hij met een hogere snelheid weg beweegt.je eerste gedachte zou zijn dat deze bal lichter moet zijn dan de andere. Deze conclusie zou gebaseerd zijn op uw vertrouwdheid met momentum wetten. Maar wat als de bal dezelfde massa had als de anderen en toch harder tegen de hamer duwde? Dit zou ertoe leiden dat het sneller zou verhuizen en de indruk wekken dat het lichter was. Hoe kon dat gebeuren?vergelijk de beweging tussen de figuren 4 en 5 hierboven. In Figuur 5, merk op dat wanneer deeltje 2 (groen) aanvankelijk snel naar links bewoog het een sterke duw-terug kreeg van het veld van deeltje 1 (Blauw). Hierdoor werd deeltje 2 sneller naar rechts geduwd dan in Figuur 4. Aanvankelijk zag deeltje 1 niets van deze beweging en tegen de tijd dat het dat deed, was het verder weg en had dus minder reactie. Het nettoresultaat was dat deeltje 2 zich sneller van deeltje 1 verwijderde, alsof het lichter was.
De sleutel hier is versnelling. Deeltje 2 voelde een plotselinge toename van de tegengestelde kracht omdat het zijn snelheid naar deeltje 1 verhoogde. Als deeltje 2 vanaf grote afstand 1 benaderde met een constante snelheid, zouden 1 en 2 gelijke en tegengestelde krachten ervaren.

elektronenbanen

laten we nu kijken hoe dit atomen kan beïnvloeden. Wanneer een elektron daalt naar een lagere baan beweegt het dichter bij de kern en voelt een grotere aantrekkingskracht. Net als planeten dicht bij de zon, zou het sneller moeten draaien om stabiliteit te behouden.
maar niet alleen zal de snelheid toenemen, zo zal ook de acceleratie worden bekeken in één richting. De effecten hiervan kunnen worden gezien in de volgende volgorde van diagrammen.

hierboven zijn twee waterstofatomen met hun elektronen in verschillende banen. Het bovenste atoom heeft een hoge baan en het onderste atoom een lage baan. Aan de linkerkant is een wand van elektronen die de buitenhuid van een naderend object voorstellen. Op deze afstand is de wand te ver weg om veel effect op de atomen te hebben.

nu bevindt de wand (hierboven) zich op afstand waar de deeltjes ermee interageren. Het hoge Baan elektron beweegt en versnelt langzaam in het veld van de naderende muur. Als gevolg daarvan voelt als een zwakke tegengestelde kracht. Het low-orbit elektron beweegt en versnelt snel in het veld van de naderende muur. Als gevolg daarvan voelt het een sterke tegengestelde kracht.het eindresultaat is dat het atoom met een lage baan sneller van het object af beweegt dan het atoom met een hoge Baan.

Dit geeft de indruk dat het atoom met een lage baan minder weegt dan het atoom met een hoge baan, terwijl het in werkelijkheid hetzelfde weegt.

zelfaandrijving?

zoals blijkt uit bovenstaande demonstraties, die overigens zijn afgeleid van computersimulaties, zorgt de beperkte lichtsnelheid ervoor dat het momentum en het massacentrum niet perfect worden bewaard. Een interessante toepassing vloeit hieruit voort.het zou theoretisch mogelijk moeten zijn om een object zijn middelpunt van de massa te laten verschuiven zonder tegen een extern object te duwen. Dit zou betekenen dat elektrisch geladen onderdelen binnen het object op een passende manier tegen elkaar worden versneld. Correct gedaan, zou dit een netto toename van de snelheid in een bepaalde richting veroorzaken. Als dit proces continu zou worden herhaald, zou het leiden tot elke gewenste eindsnelheid, zelfs groter dan de lichtsnelheid, zonder dat een stuwstof moet worden uitgestoten.
om te zien hoe dit in werkelijkheid zou kunnen werken, zie dit aanvullende hoofdstuk:
ideeën voor Voortstuwingsloze voortstuwing (

andere overwegingen

bovenstaande vermoedens zijn onvolledig omdat ze geen vergelijkingen leveren om de omvang van schijnbaar massaverlies te voorspellen. We moeten ook overwegen hoe dit massaverlies kan werken in het geval van zwaartekrachtmetingen en hoe het samenvoegen van protonen en neutronen veranderingen in massa kan veroorzaken.

conclusies

Newton ‘ s bewegingswetten zijn gebaseerd op een aanname dat tegengestelde krachten tussen objecten gelijktijdig werken. Onder normale omstandigheden is dit een volkomen redelijke veronderstelling. Wanneer twee objecten elkaar raken, dat wil zeggen ‘aanraken’, is de afstand tussen hen zo klein, en de lichtsnelheid zo snel, dat de reactietijd als ogenblikkelijk kan worden beschouwd.
maar dit is niet altijd het geval. De eindige snelheid van elektrische velden betekent dat in situaties van hoge versnelling de beweging van geladen deeltjes niet het verwachte Newtoniaanse pad volgt.
wanneer elektronen in lagere banen bewegen, bewegen en versnellen ze sneller. Dit zorgt ervoor dat ze een hogere mate van afstoting geven tegen het veld van een tweede atoom. Dit op zijn beurt kan het eerste atoom lijken te hebben verloren massa, terwijl in feite zijn massa is niet veranderd.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.