Conversia materie-energie

unul dintre cele mai interesante trucuri pe care universul nostru este capabil să le evoce este conversia dintre materie și energie. Ori de câte ori vedeți un fulger de lumină, obiectul care l-a emis pierde o mică parte din masa sa, devenind ușor mai ușor. De asemenea, atunci când un obiect absoarbe lumina câștigă o cantitate mică de masă.
acest fenomen este cunoscut sub numele de conversie materie-energie. Funcționează la toate nivelurile, de la mișcarea electronilor între cochilii până la fuziunea și divizarea protonilor și neutronilor într-un nucleu. Că un astfel de lucru s-ar putea întâmpla deloc este uimitor, deoarece, pe fața lui, undele electromagnetice, cum ar fi lumina vizibilă, par să nu aibă nimic în comun cu substanțele dure din care sunt compuse obiectele de zi cu zi.

E = mc 2 ?

gradul de conversie între materie și energie este guvernat de faimoasa ecuație energetică relativistă E=mc2. În esență, această ecuație ne spune că cantitatea totală de energie disponibilă într-o anumită cantitate de masă (dacă masa ar putea fi complet convertită în energie) este determinată prin înmulțirea masei cu viteza luminii pătrat.
această formulă poate fi derivată folosind o aplicație a formulelor relativității speciale (SR). Voi lăsa derivarea așa cum o puteți vedea la mai multe site-uri, cum ar fi aici .
în acest moment unele alarme pot suna. În primele capitole ale acestei cărți am evidențiat o multitudine de probleme inerente teoriei SR. Dacă aceste obiecții sunt adevărate, înseamnă că această ecuație energetică este defectă? Să lăsăm această întrebare deoparte pentru moment și să investigăm procesul de conversie.

atomul de hidrogen al lui Bohr

într-un capitol anterior despre orbitele atomice am analizat Modelul Bohr al atomului de hidrogen. În acest model, electronii orbitează numai la distanțe fixe de nucleu și sunt capabili să sară între orbite. Când un electron sare de la o orbită înaltă la o orbită joasă (adică mai aproape de nucleu) emite un foton de frecvență specifică.
principiul conversiei materie-energie ne spune că, atunci când acest foton este emis, masa atomului trebuie să scadă, deoarece energia a fost creată. Acest lucru ridică o întrebare interesantă. Dacă masa sa a scăzut, care parte a atomului a pierdut-o?singurele părți ale atomului de hidrogen sunt protonul și electronul. Pierde protonul sau electronul? Deoarece electronul este obiectul care se mișcă între cochilii (în orbite fixe), probabil că acesta pierde masa. Din păcate, acest lucru creează o dilemă.Bohr are o ecuație care prezice cu exactitate frecvențele pe baza cărora se deplasează electronul. Este în această formă:

f=\frac{2 \pi ^2 K^2 e^4 m}{h^3}\stânga(\frac{1}{n_1{}^2}-\frac{1}{n_2{}^2}\dreapta)

unde f este frecvența, k este constanta lui coulomb, e este sarcina electronică, h este sarcina lui Planck constantă și N1 și N2 sunt valori întregi pentru cochilii fiind mutat între.
notați m în această ecuație care reprezintă masa electronilor. Dacă această masă s-ar schimba, atunci frecvența calculată ar fi diferită. Având în vedere că această ecuație prezice frecvențele corect, totuși, acest lucru indică faptul că masa sa nu se poate schimba. La urma urmei, o scădere a masei i-ar schimba cu siguranță comportamentul orbital.
deci, dacă electronul nu pierde masă, Ce zici de proton? Având în vedere că este mult mai greu, protonul și-ar putea permite cu siguranță să piardă destul de mult. Din câte putem spune, protonul nu este implicat în tranziția electronului între cochilii. Deci, pare ciudat că protonul ar trebui să piardă ceva.cu toate acestea, faptul că reacțiile chimice și nucleare care eliberează energie fac ca materialele să devină mai ușoare este incontestabil. Cum ar putea fi asta? Trebuie să analizăm mai profund posibilele mecanisme implicate.

înțelegerea masei

pentru a determina cum ar putea avea loc pierderea de masă, luați în considerare întrebarea:
ce este masa?
Bine, asta e una grea. Sa reformulam:
cum masuram masa?
asta e mai ușor. Practic, există două moduri: una este prin gravitație și cealaltă prin inerție. Utilizarea gravitației pentru a măsura masa implică punerea unei mase pe o scară, ca o scară de arc, și măsurarea forței pe baza întinderii arcului său. Utilizarea inerției implică aplicarea unei forțe cunoscute unei mase și măsurarea vitezei sale de accelerație.în termeni practici, gravitația este cea mai ușoară opțiune. Problema cu gravitația este însă că măsurarea variază în funcție de câmpul gravitațional. De exemplu, o scară de primăvară ar arăta o a șasea masă în timp ce se află pe lună și zero în timp ce se află la bordul unui satelit care orbitează. Măsurătorile bazate pe inerție nu au această problemă și vor da același rezultat peste tot. Deci, să ne concentrăm pe măsurătorile bazate pe inerție și să lăsăm aspectele gravitaționale pentru mai târziu.
acum, pentru o întrebare foarte importantă:
dacă ceva despre procesul de electroni care se deplasează între orbite a determinat o măsurare bazată pe inerție să înregistreze o valoare mai mică a masei, ar face obiectul să pară mai ușor?

înțelegerea lui Newton

mișcarea obiectelor este guvernată de legile mișcării lui Newton. Aceste legi includ principiile impulsului și conservării energiei. Vedem aceste principii în acțiune peste tot; ele funcționează întotdeauna și nu avem niciun motiv să ne îndoim de ele.un alt principiu este echilibrul forțelor. Dacă împingi un obiect, acesta întotdeauna ‘împinge înapoi’ cu o cantitate egală de forță în direcția opusă. Persoana obișnuită știe acest lucru ca “pentru fiecare acțiune există o reacție egală și opusă”. La “egal și opus “putem adăuga” și simultan”, deoarece forța de reacție împinge întotdeauna înapoi în același moment.
sau nu?
cand impingi ceva, de fapt nu il impingi direct. De exemplu, atunci când utilizați mâna pentru a închide o ușă, mâna nu atinge de fapt ușa. În schimb, electronii care înconjoară atomii din stratul exterior al mâinii tale se apropie foarte mult de electronii de pe suprafața ușii. În acest moment, straturile de electroni se împing unul împotriva celuilalt, forțând mâna și ușa să se despartă.
forta pe care o simti este de fapt doar repulsie Electrostatica. Electronii se resping reciproc cu o cantitate egală de forță și acest lucru dă efectul “egal și opus”.
acum, aici devine interesant. Știm că particulele încărcate nu se împing reciproc direct. În schimb, fiecare particulă generează un câmp, iar acel câmp interacționează apoi cu alte particule. Știm, de asemenea, că câmpul se deplasează cu o viteză limitată: viteza luminii. Prin urmare, există o scurtă întârziere între momentul în care o particulă se mișcă și alta răspunde.

un studiu de timp și mișcare

pentru a înțelege consecințele răspunsului întârziat să studiem o situație simplă care implică particule încărcate. Vezi mai jos.

în diagrama de mai sus, două particule încărcate pozitiv sunt ținute la o distanță fixă. Lăsați particulele din stânga și din dreapta să fie numite particule 1 și 2 și colorate în albastru și, respectiv, verde. Din motive de simplitate, vom spune că fiecare are o sarcină de 1 (în unități arbitrare), o masă de 1 și sunt separate de o distanță de 1. Ei stau nemișcați, ținuți pe loc și fiecare experimentează o forță opusă de 1 Newtoni.
fie ca viteza luminii să fie de 1 unitate de distanță pe secundă, ceea ce înseamnă că va dura 1 secundă pentru ca câmpul să comunice între particule. Timpul este acum T-minus – o secundă. Vom ține particulele în această poziție timp de 1 secundă pentru a permite timpului ca câmpurile lor statice să se atingă reciproc.
acum la t=0 secunde, eliberăm ambele particule. Dăm particulei 2 (din dreapta) un ghiont ascuțit spre particula 1, astfel încât acum se deplasează cu 50% viteza luminii. Vezi mai jos.

dorim să știm cum se vor mișca aceste particule și ce efect va avea întârzierea câmpului. Pentru început însă, să luăm cazul standard în care presupunem că lumina se mișcă cu viteză infinită și interacțiunile sunt imediate.

diagramele de mai sus arată poziția și viteza particulelor 1 și 2 pe o perioadă de 1,5 secunde. Figura 3 prezintă pozițiile lor (linii albastre și verzi), linia roșie fiind centrul lor de masă. Figura 4 prezintă vitezele cu linia roșie reprezentând impulsul total. Așa cum era de așteptat, Centrul de masă se mișcă în linie dreaptă și impulsul este conservat; rămânând constant pe tot parcursul.
în continuare vom seta viteza luminii la 1 unitate pe secundă.

Figura 5 prezintă viteza particulelor 1 și 2 și impulsul total (aceeași schemă de culori). În primele 0,8 secunde, particula 1 (albastră) urmează aceeași cale ca înainte. Dintr-o dată este lovit cu impactul câmpului particulei 2 care se deplasează la 0,5 c spre stânga, ceea ce crește accelerația lui 1.
particula 2 (verde) este diferită de scenariul anterior. Se simte imediat o rezistență mare datorită mișcării sale în câmpul existent al particulei 1. La 1.2 secunde, particula 2 simte o scădere a Forței din câmpul particulei 1, datorită mișcării inițiale a particulei 1 spre stânga. Accelerația particulei 2 scade apoi ușor (deși este dificil de văzut în diagramă).
ceea ce este mai important este însă impulsul (linia roșie). După cum se poate observa, nu este o constantă și nu a fost păstrată.graficul de mai sus (figura 5) a fost realizat folosind VDCL (Legea lui Coulomb dependentă de viteză). Pentru comparație, să repetăm cele de mai sus folosind legea standard a lui Coulomb.

în Figura 6 particula 1 (albastră) se comportă foarte asemănător cu situația vitezei infinite a luminii. Apoi, la 0,92 secunde este lovit de o creștere a câmpului din particula 2. Particula 2 (verde) simte imediat o creștere a forței față de particula 1, datorită apropierii; deși forța nu crește la fel de mult ca în cazul vdcl. Apoi, la 1,36 secunde, se confruntă cu o ușoară scădere a forței datorită mișcării particulei 1 (deși dificil de văzut în diagramă).
lucrul important de reținut este însă că impulsul (linia roșie) nu este încă păstrat, chiar și cu Legea standard a lui Coulomb. Deși nu este la fel de distorsionat ca cazul VDCL.

jucând crochet

să ne uităm la modul în care acest lucru s-ar putea traduce într-o pierdere de masă. Imaginați-vă că țineți un ciocan de crochet (ciocan) și sunteți pe punctul de a lovi o minge. Vezi mai jos.

în cadrul din stânga ciocanul se apropie de o minge staționară. În cadrul din dreapta ciocanul a lovit mingea, care este acum accelerarea departe. Dacă cunoaștem masa ciocanului și vitezele obiectelor înainte și după, putem determina masa mingii folosind legile de conservare a impulsului.
acum să presupunem că există un rând de bile similare și le lovești pe rând, aplicând aceeași cantitate de forță ciocanului de fiecare dată. Pe măsură ce faceți acest lucru, Observați că fiecare minge se îndepărtează cu aceeași viteză. Apoi lovești o minge și observi că se îndepărtează cu o viteză mai mare.
primul tău gând ar fi că această minge trebuie să fie mai ușoară decât celelalte. Această concluzie s-ar baza pe familiaritatea dvs. cu legile impulsului. Dar ce se întâmplă dacă mingea a avut de fapt aceeași masă ca și ceilalți și totuși a împins cumva mai tare împotriva ciocanului? Acest lucru ar face ca acesta să se îndepărteze mai repede și să dea impresia că este mai ușor. Cum s-a putut întâmpla asta?
comparați mișcarea dintre figurile 4 și 5 de mai sus. În Figura 5, observați că atunci când particula 2 (verde) s-a deplasat inițial rapid spre stânga, a primit o puternică împingere înapoi din câmpul particulei 1 (Albastru). Acest lucru a făcut ca particula 2 să fie împinsă mai repede spre dreapta decât în Figura 4. Inițial, particula 1 nu a văzut nimic din această mișcare și, până când a făcut-o, a fost mai departe și, prin urmare, a avut mai puțin răspuns. Rezultatul net a fost că particula 2 s-a îndepărtat mai repede de particula 1, ca și cum ar fi mai ușoară.
cheia aici este accelerația. Particula 2 a simțit o creștere bruscă a forței opuse, deoarece și-a crescut viteza spre particula 1. Dacă particula 2 s-ar apropia de 1 de la o distanță mare cu viteză constantă, 1 și 2 ar experimenta forțe egale și opuse.

orbitele electronilor

să ne uităm acum la modul în care acest lucru ar putea afecta atomii. Când un electron cade pe o orbită inferioară, se apropie de nucleu și simte o forță de atracție mai mare. La fel ca planetele apropiate de soare, ar trebui să orbiteze mai repede pentru a menține stabilitatea.
dar nu numai că viteza va crește, la fel și accelerația ei atunci când este privită de-a lungul unei direcții. Efectele acestui lucru pot fi văzute în următoarea secvență de diagrame.

de mai sus sunt doi atomi de hidrogen cu electronii lor pe orbite diferite. Atomul superior are o orbită înaltă, iar atomul inferior o orbită joasă. În stânga este un perete de electroni care reprezintă pielea exterioară a unui obiect care se apropie. La această distanță peretele este prea departe pentru a avea mult efect asupra atomilor.

acum peretele (deasupra) este la distanță unde particulele interacționează cu el. Electronul cu orbită înaltă se mișcă și accelerează încet în câmpul peretelui care se apropie. Ca urmare, dacă se simte o forță slabă opusă. Electronul cu orbită joasă se mișcă și accelerează rapid în câmpul peretelui care se apropie. Ca urmare, se simte o forță puternică opusă.rezultatul final este că atomul de orbită joasă se îndepărtează mai repede de obiect decât atomul de orbită înaltă.

aceasta dă impresia că atomul cu orbită joasă cântărește mai puțin decât atomul cu orbită înaltă, în timp ce în realitate acestea cântăresc la fel.

autopropulsie?

după cum se poate observa din demonstrațiile de mai sus, care au fost derivate din simulări pe computer, apropo, viteza limitată a luminii face ca impulsul și Centrul de masă să nu fie perfect conservate. O aplicație interesantă apare din aceasta.teoretic ar trebui să fie posibil ca un obiect să-și schimbe Centrul de masă fără a împinge un obiect extern. Acest lucru ar implica componente încărcate electric în cadrul obiectului fiind accelerat unul împotriva celuilalt într-un mod adecvat. Făcut corect, acest lucru ar determina o creștere netă a vitezei într-o direcție dată. Dacă acest proces s-ar repeta continuu, ar duce la orice viteză finală dorită, chiar mai mare decât viteza luminii, fără a fi nevoie să scoateți un propulsor.
pentru a vedea cum acest lucru ar putea funcționa în realitate, a se vedea acest capitol suplimentar:
idei pentru propulsie fără propulsie (

alte considerații

conjecturile de mai sus sunt incomplete, deoarece nu oferă ecuații pentru a prezice amploarea pierderii aparente de masă. De asemenea, trebuie să luăm în considerare modul în care această pierdere de masă poate funcționa în cazul măsurătorilor gravitaționale și modul în care îmbinarea protonilor și neutronilor ar putea provoca modificări ale masei.

concluzii

Legile mișcării lui Newton se bazează pe presupunerea că forțele opuse dintre obiecte funcționează simultan. În situații normale, aceasta este o presupunere perfect rezonabilă. Când două obiecte se lovesc reciproc, adică ating, distanța dintre ele este atât de mică, iar viteza luminii atât de rapidă, încât timpul de răspuns ar putea fi considerat instantaneu.
dar acest lucru nu este întotdeauna cazul. Viteza finită a câmpurilor electrice înseamnă că, în situații de accelerație ridicată, mișcarea particulelor încărcate nu urmează calea Newtoniană așteptată.
când electronii se deplasează pe orbite inferioare, se mișcă și accelerează mai repede. Acest lucru îi determină să dea un grad mai mare de repulsie împotriva câmpului unui al doilea atom. La rândul său, acest lucru poate face ca primul atom să pară că a pierdut masa, când, de fapt, masa sa nu s-a schimbat.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.