Konwersja materii i energii

jedną z ciekawszych sztuczek, jakie nasz wszechświat potrafi wyczarować, jest konwersja materii i energii . Za każdym razem, gdy zobaczysz błysk światła, obiekt, który go emitował, traci niewielką część swojej masy, stając się nieco jaśniejszy. Podobnie, gdy obiekt pochłania światło, zyskuje niewielką ilość masy.
zjawisko to znane jest jako konwersja materii-energii . Działa na wszystkich poziomach, od ruchu elektronów między skorupami do fuzji i podziału protonów i neutronów w jądrze. To, że coś takiego może się w ogóle wydarzyć, jest niesamowite, ponieważ na pierwszy rzut oka fale elektromagnetyczne, takie jak światło widzialne, wydają się nie mieć nic wspólnego z twardymi substancjami, z których składają się przedmioty codziennego użytku.

E=mc 2 ?

zakres konwersji materii i energii reguluje słynne relatywistyczne równanie energetyczne E=mc2. Zasadniczo to równanie mówi nam, że całkowita ilość energii dostępnej w danej ilości masy (jeśli masa może być w pełni zamieniona na energię) jest określona przez pomnożenie masy przez prędkość światła do kwadratu.
wzór ten można wyprowadzić przy użyciu specjalnych wzorów względności (SR). Pominę wyprowadzenie, jak widać na wielu stronach, takich jak tutaj .
w tym momencie mogą zabrzmieć niektóre alarmy. We wczesnych rozdziałach tej książki zwróciłem uwagę na wiele problemów związanych z teorią SR. Jeśli te obiekcje są prawdziwe, to znaczy, że to równanie energii jest błędne? Odłóżmy to pytanie na bok i zbadajmy proces nawrócenia.

atom wodoru Bohra

we wcześniejszym rozdziale o orbitach atomowych przyjrzeliśmy się modelowi atomu wodoru Bohra. W tym modelu elektrony orbitują tylko w ustalonych odległościach od jądra i są w stanie przeskakiwać między orbitami. Gdy elektron przeskakuje z wysokiej na niską orbity (tj. bliżej jądra) emituje Foton o określonej częstotliwości.
zasada konwersji materii-energii mówi nam, że gdy ten foton jest emitowany, masa atomu musi się zmniejszyć, ponieważ energia została wytworzona. Rodzi to interesujące pytanie. Jeśli jego masa spadła, która część atomu ją straciła?
jedynymi częściami atomu wodoru są proton i elektron. Czy Proton czy elektron tracą? Ponieważ elektron jest obiektem poruszającym się między powłokami (po stałych orbitach), przypuszczalnie to właśnie ten obiekt traci masę. Niestety, stwarza to dylemat.
Bohr ma równanie, które dokładnie przewiduje częstotliwości, na podstawie których powłoki elektron przemieszczał się między. Jest w tej postaci:

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

gdzie f to częstotliwość, K to stała Coulomba, e to ładunek elektronu, h to ładunek Plancka stała oraz N1 i N2 są wartościami całkowitymi dla przenoszonych powłok.
zwróć uwagę na m w tym równaniu, które reprezentuje masę elektronu . Gdyby ta masa się zmieniała, obliczona częstotliwość byłaby inna. Biorąc pod uwagę, że to równanie prawidłowo przewiduje częstotliwości, oznacza to, że jego masa nie może się zmieniać. W końcu spadek masy z pewnością zmieniłby jego zachowanie orbitalne.
więc jeśli elektron nie traci masy, to co z protonem? Ponieważ jest znacznie cięższy, proton z pewnością może sobie pozwolić na utratę sporo. O ile jednak wiemy, proton nie bierze udziału w przejściu elektronu między skorupami. Wydaje się więc dziwne, że proton powinien cokolwiek stracić.
jednak fakt, że uwalniające energię reakcje chemiczne i jądrowe powodują, że materiały stają się lżejsze, jest niezaprzeczalny. Jak to możliwe? Musimy głębiej przyjrzeć się możliwym mechanizmom.

zrozumienie masy

aby określić, w jaki sposób może wystąpić utrata masy, zastanów się nad pytaniem:
czym jest masa?
dobra, to trudne. Więc powiedzmy inaczej:
jak mierzymy masę?
tak jest łatwiej. Zasadniczo istnieją dwa sposoby: jeden jest przez grawitację, a drugi przez bezwładność. Użycie grawitacji do pomiaru masy polega na umieszczeniu masy na skali, takiej jak skala sprężyny, i zmierzeniu siły na podstawie rozciągnięcia jej sprężyny. Użycie bezwładności polega na przyłożeniu znanej siły do masy i zmierzeniu jej szybkości przyspieszenia.
w praktyce łatwiejszą opcją jest grawitacja. Problem z grawitacją polega jednak na tym, że pomiar zmienia się wraz z polem grawitacyjnym. Na przykład skala sprężynowa pokazałaby jedną szóstą masy podczas pobytu na Księżycu, a zero na pokładzie orbitującego satelity. Pomiary oparte na bezwładności nie mają tego problemu i wszędzie dają taki sam wynik. Skupmy się więc na pomiarach opartych na bezwładności i zostawmy aspekty grawitacji na później.
teraz bardzo ważne pytanie:
Jeśli coś o procesie poruszania się elektronów między orbitalami spowodowało pomiar oparty na bezwładności, aby zarejestrować mniejszą wartość masy, czy to sprawi, że obiekt będzie wyglądał na lżejszy?

zrozumienie Newtona

ruch obiektów podlega prawom ruchu Newtona. Prawa te obejmują zasady zachowania pędu i energii. Widzimy te zasady w działaniu wszędzie; zawsze działają i nie mamy powodu, by w nie wątpić.
inną zasadą jest równowaga sił. Jeśli naciskasz na obiekt, zawsze “odpycha” z równą siłą w przeciwnym kierunku. Przeciętny człowiek wie o tym, że”dla każdego działania istnieje równa i przeciwna reakcja”. Do “równych i przeciwnych”możemy dodać ” i jednoczesnych”, ponieważ siła reakcji zawsze odpycha w tej samej chwili.
a może tak?
kiedy naciskasz na coś, nie pchasz tego bezpośrednio. Na przykład, gdy używasz ręki do zamykania drzwi, twoja ręka w rzeczywistości nie dotyka drzwi. Zamiast tego elektrony otaczające Atomy w zewnętrznej warstwie dłoni zbliżają się do elektronów na powierzchni drzwi. W tym momencie warstwy elektronów naciskają na siebie, zmuszając rękę i drzwi od siebie.
siła, którą odczuwasz, to po prostu odpychanie elektrostatyczne. Elektrony odpychają się nawzajem z taką samą siłą, co daje efekt “równy i przeciwny”.
teraz robi się ciekawie. Wiemy, że naładowane cząstki nie odpychają się bezpośrednio. Zamiast tego każda cząstka wytwarza pole, które oddziałuje z innymi cząstkami. Wiemy również, że pole porusza się z ograniczoną prędkością: prędkością światła. Stąd istnieje krótkie opóźnienie między Kiedy jedna cząstka porusza się, a druga reaguje.

badanie czasu i ruchu

aby zrozumieć konsekwencje opóźnionej reakcji, zbadajmy prostą sytuację z udziałem naładowanych cząstek. Patrz poniżej.

na powyższym wykresie dwie dodatnio naładowane cząstki znajdują się w stałej odległości od siebie. Niech cząstki lewostronne i prawostronne będą nazywane cząstkami 1 i 2, a zabarwione odpowiednio na niebiesko i zielono. Dla uproszczenia powiemy, że każdy z nich ma ładunek 1 (w dowolnych jednostkach), masę 1 i są oddzielone odległością 1. Stoją nieruchomo, trzymani w miejscu, a każdy doświadcza przeciwnej siły 1 Niutona.
niech prędkość światła będzie 1 jednostka-odległość na sekundę, co oznacza, że pole zajmie 1 sekundę, aby komunikować się między cząstkami. Czas jest teraz t-minus-jedna sekunda. Będziemy trzymać cząstki w tej pozycji przez 1 sekundę, aby ich pola statyczne dotarły do siebie.
Teraz Przy t = 0 sekundach uwalniamy obie cząstki . Dajemy cząstce 2 (po prawej) ostry szturchnięcie w kierunku cząstki 1 tak, że teraz porusza się z prędkością światła 50%. Patrz poniżej.

chcemy wiedzieć, jak te cząstki będą się poruszać i jaki będzie efekt opóźnienia pola. Zacznijmy jednak od standardowego przypadku, w którym Zakładamy, że światło porusza się z nieskończoną prędkością, a interakcje są natychmiastowe.

powyższe wykresy pokazują położenie i prędkość cząstek 1 i 2 w okresie 1,5 sekundy. Rysunek 3 przedstawia ich pozycje (niebieska i zielona linia), a czerwona linia jest ich środkiem masy. Rysunek 4 przedstawia prędkości z czerwoną linią reprezentującą całkowity pęd. Zgodnie z oczekiwaniami środek masy porusza się po linii prostej, a pęd jest zachowany, pozostając niezmienny przez cały czas.
następnie ustawimy prędkość światła na 1 jednostkę na sekundę.

Rysunek 5 przedstawia prędkość cząstek 1 i 2 oraz całkowity pęd (ten sam schemat kolorów). Przez pierwsze 0,8 sekundy cząstka 1 (niebieska) podąża tą samą ścieżką co poprzednio. Nagle zostaje uderzona uderzeniem pola cząstki 2 poruszającej się o 0,5 c w lewo, co zwiększa przyspieszenie 1.
cząstka 2 (Zielona) różni się od poprzedniego scenariusza. Natychmiast odczuwa duży opór z powodu ruchu w istniejącym polu cząstki 1. Na 1.2 sekundy, cząstka 2 odczuwa spadek siły z pola cząstki 1, spowodowany początkowym ruchem cząstki 1 w lewo. Przyspieszenie cząstki 2 zmniejsza się nieznacznie (choć trudno to zobaczyć na wykresie).
ważniejszy jest jednak momentum (czerwona linia). Jak widać nie jest stała i nie została zachowana.
powyższy wykres (rysunek 5) został wykonany przy użyciu VDCL (prawo Coulomba zależne od prędkości). Dla porównania, powtórzmy powyższe używając standardowego prawa Coulomba.

na rysunku 6 cząstka 1 (niebieska) zachowuje się bardzo podobnie do sytuacji nieskończonej prędkości światła. Następnie w 0,92 sekundy zostaje uderzony przez zwiększenie pola od cząstki 2. Cząstka 2 (Zielona) natychmiast odczuwa wzrost siły od cząstki 1, ponieważ jest bliżej; chociaż siła nie zwiększa się tak bardzo, jak w przypadku VDCL. Następnie w 1,36 sekundy doświadcza lekkiego spadku siły z powodu ruchu cząstki 1 (choć trudno to zobaczyć na wykresie).
warto jednak zauważyć, że pęd (czerwona linia) nadal nie jest zachowany, nawet przy standardowym prawie Coulomba. Chociaż nie jest tak zniekształcony jak w przypadku VDCL.

gra w krokieta

przyjrzyjmy się, jak to może przełożyć się na utratę masy. Wyobraź sobie, że trzymasz młotek do krokieta (młotek) i masz zamiar uderzyć piłkę. Patrz poniżej.

w lewej ramce młotek zbliża się do nieruchomej piłki. W prawym kadrze młotek uderzył w piłkę, która teraz pędzi. Jeśli znamy masę młotka i prędkości obiektów przed i po, możemy określić masę kuli za pomocą praw zachowania pędu.
teraz powiedzmy, że istnieje rząd podobnych kulek i uderzasz je pojedynczo, stosując tę samą siłę do młotka za każdym razem. Jak to zrobić, można zauważyć, że każda piłka oddala się z tą samą prędkością. Następnie uderzasz piłkę i zauważasz, że oddala się z większą prędkością.
Twoja pierwsza myśl byłaby taka, że ta piłka musi być lżejsza od pozostałych. Ten wniosek opierałby się na twojej znajomości praw pędu. Ale co, jeśli piłka faktycznie miała taką samą masę jak inne, A jednak w jakiś sposób mocniej naciskała na młotek? Powodowałoby to szybsze oddalanie się i sprawiało wrażenie lżejszego. Jak to się mogło stać?
Porównaj ruch między rysunkami 4 i 5 powyżej. Na rysunku 5, zauważ, że kiedy cząstka 2 (Zielona) początkowo poruszała się gwałtownie w lewo otrzymała ona silne odepchnięcie od pola cząstki 1 (niebieskiej). Spowodowało to, że cząstka 2 została przesunięta szybciej w prawo niż na rysunku 4. Początkowo cząstka 1 nie widziała żadnego z tych ruchów, a zanim to zrobiła, była dalej, a tym samym miała mniejszą reakcję. Wynik netto był taki, że cząstka 2 szybciej oddaliła się od cząstki 1, jakby była lżejsza.
kluczem jest tutaj przyspieszenie. Cząstka 2 odczuła nagły wzrost siły przeciwnika, ponieważ zwiększyła swoją prędkość w kierunku cząstki 1. Gdyby cząstka 2 zbliżyła się do 1 z dużej odległości ze stałą prędkością, 1 i 2 doświadczyłyby równych i przeciwnych sił.

orbity elektronów

przyjrzyjmy się teraz, jak to może wpłynąć na Atomy. Gdy elektron spada na niższą orbitę, porusza się bliżej jądra i odczuwa większą siłę przyciągania. Podobnie jak planety bliskie słońcu, musiałaby szybciej orbitować, aby utrzymać stabilność.
ale nie tylko wzrośnie prędkość, ale także jej przyspieszenie, gdy patrzy się w jednym kierunku. Efekty tego można zobaczyć w następującej kolejności diagramów.

powyżej znajdują się dwa atomy wodoru z elektronami na różnych orbitach. Górny atom ma wysoką orbitę, a dolny ATOM niską orbitę. Po lewej stronie znajduje się ściana elektronów, które reprezentują zewnętrzną skórę zbliżającego się obiektu. W tej odległości ściana jest zbyt daleko, aby mieć duży wpływ na Atomy.

teraz ściana (powyżej) znajduje się w odległości, w której cząstki oddziałują z nią. Wysoko orbitujący elektron porusza się i powoli przyspiesza w pole zbliżającej się ściany. W rezultacie, jeśli czuje się słaba siła przeciwna. Elektron o niskiej orbicie porusza się i szybko przyspiesza w pole zbliżającej się ściany. W rezultacie czuje silną siłę przeciwną.
efekt końcowy jest taki, że atom o niskiej orbicie porusza się szybciej od obiektu niż atom o wysokiej orbicie.

daje to wrażenie, że atom o niskiej orbicie waży mniej niż atom o wysokiej orbicie, podczas gdy w rzeczywistości ważą tyle samo.

sam napęd?

jak widać z powyższych pokazów, które przy okazji zostały zaczerpnięte z symulacji komputerowych, ograniczona prędkość światła powoduje, że pęd i środek masy nie są doskonale zachowane. Z tego wynika ciekawa aplikacja.
teoretycznie powinno być możliwe spowodowanie przesunięcia środka masy obiektu bez naciskania na obiekt zewnętrzny. Wiązałoby się to z elektrycznie naładowanymi komponentami wewnątrz obiektu, które byłyby przyspieszane względem siebie w odpowiedni sposób. Prawidłowo wykonane, spowodowałoby to przyrost netto prędkości w danym kierunku. Gdyby ten proces był powtarzany w sposób ciągły, doprowadziłoby to do dowolnej pożądanej prędkości końcowej, nawet większej niż prędkość światła, bez potrzeby wyrzucania materiału pędnego.
aby zobaczyć, jak to może działać w rzeczywistości, zobacz ten rozdział uzupełniający:
pomysły na napęd bez napędu (

inne rozważania

powyższe przypuszczenia są niekompletne, ponieważ nie dostarczają równań do przewidywania zakresu pozornej utraty masy. Musimy również zastanowić się, jak ta utrata masy może działać w przypadku pomiarów grawitacyjnych i jak łączenie protonów i neutronów może powodować zmiany masy.

wnioski

prawa ruchu Newtona opierają się na założeniu, że przeciwstawne siły między obiektami działają jednocześnie. W normalnych sytuacjach jest to całkowicie rozsądne założenie. Kiedy dwa obiekty uderzają się nawzajem, tj. “dotykają”, odległość między nimi jest tak mała, a prędkość światła tak szybka, że czas reakcji można uznać za natychmiastowy.
ale nie zawsze tak jest. Skończona prędkość pól elektrycznych oznacza, że w warunkach dużego przyspieszenia ruch naładowanych cząstek nie podąża oczekiwaną ścieżką Newtonowską.
kiedy elektrony poruszają się na niższych orbitach, poruszają się i przyspieszają szybciej. Powoduje to, że dają one wyższy stopień odpychania względem pola drugiego atomu. To z kolei może sprawić, że pierwszy atom zda się utracić masę, podczas gdy w rzeczywistości jego masa nie uległa zmianie.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.