Materia-Energiomvandling

ett av de mer intressanta trick som vårt universum kan framkalla är omvandlingen mellan materia och energi. När du ser en blixt av ljus, förlorar objektet som emitterade det en liten del av sin massa och blir något ljusare. På samma sätt när ett objekt absorberar ljus får det en liten mängd massa.
detta fenomen kallas Materia-energiomvandling. Den fungerar på alla nivåer, från rörelsen av elektroner mellan skal till fusion och splittring av protoner och neutroner i en kärna. Att något sådant kan hända alls är fantastiskt eftersom elektromagnetiska vågor, som synligt ljus, inte verkar ha något gemensamt med de hårda ämnena som vardagliga föremål består av.

E = mc 2 ?

omfattningen av omvandlingen mellan materia och energi styrs av den berömda relativistiska energiekvationen E=mc2. I huvudsak berättar denna ekvation att den totala mängden energi som är tillgänglig i en given mängd massa (om massan kan omvandlas helt till energi) bestäms genom att multiplicera massan med ljusets hastighet i kvadrat.denna formel kan härledas genom att använda en tillämpning av speciella Relativitetsformler (SR). Jag lämnar ut härledningen som du kan se den på ett antal webbplatser som här .
vid denna tidpunkt kan vissa larm låta. I de första kapitlen i denna bok lyfte jag fram en mängd problem som är inneboende i SR-teorin. Om dessa invändningar är sanna betyder det att denna energiekvation är felaktig? Låt oss lägga den frågan åt sidan för nu och undersöka omvandlingsprocessen.

Bohrs väteatom

i ett tidigare kapitel om atombanor tittade vi på Bohr-modellen för väteatomen. I denna modell kretsar elektroner endast på fasta avstånd från kärnan och kan hoppa mellan banor. När en elektron hoppar från en hög till en låg bana (dvs. närmare kärnan) avger den en foton med specifik frekvens.
Materia – energiomvandlingsprincipen berättar för oss att när denna foton släpps ut måste atomens massa minska eftersom energi har skapats. Detta väcker en intressant fråga. Om dess massa minskade, vilken del av atomen förlorade den?
de enda delarna av väteatomen är protonen och elektronen. Förlorar protonen eller elektronen? Eftersom elektronen är objektet som rör sig mellan skal (i fasta banor), förmodligen är det detta som förlorar massa. Tyvärr skapar detta ett dilemma.Bohr har en ekvation som exakt förutsäger frekvenserna baserat på vilka skal elektronen rörde sig mellan. Det är i denna form:

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

där f är frekvens, k är Coulombs konstant, e är elektronladdning, h är Planck konstant och N1 och N2 är heltal värden för skalen flyttas mellan.
notera m i denna ekvation som representerar elektronmassa. Om den massan förändrades skulle den beräknade frekvensen vara annorlunda. Med tanke på att denna ekvation förutsäger frekvenserna korrekt, indikerar detta att dess massa inte kan förändras. När allt kommer omkring skulle en minskning av massan säkert förändra sitt orbitalbeteende.
så om elektronen inte förlorar massa, hur är det med protonen? Eftersom det är mycket tyngre, kan protonen säkert ha råd att förlora en hel del. Såvitt vi kan berätta är protonen inte involverad i elektronens övergång mellan skal. Så det verkar konstigt att protonen borde förlora någonting.men det faktum att energifrisättande kemiska och kärnreaktioner gör att Material blir lättare är obestridligt. Hur kan detta vara? Vi måste titta djupare på de möjliga mekanismerna.

förstå massa

för att bestämma hur massförlusten kan uppstå, överväga frågan:
vad är massa?
det är svårt. Så låt oss omformulera:
Hur mäter vi massa?
det är lättare. I grund och botten finns det två sätt: en är av gravitation och den andra av tröghet. Att använda gravitation för att mäta massa innebär att man lägger en massa på en skala, som en fjäderskala, och mäter kraften baserat på fjäderns sträcka. Att använda tröghet innebär att man applicerar en känd kraft på en massa och mäter dess accelerationshastighet.
i praktiska termer gravitation är det enklare alternativet. Problemet med tyngdkraften är dock att mätningen varierar med gravitationsfältet. Till exempel skulle en fjäderskala visa en sjätte massa på månen och noll ombord på en kretsande satellit. Tröghetsbaserade mätningar har inte detta problem och kommer att ge samma resultat överallt. Så låt oss fokusera på tröghetsbaserade mätningar och lämna tyngdkraftsaspekterna för senare.
nu för en mycket viktig fråga:
om något om processen med elektroner som rör sig mellan banor orsakade en tröghetsbaserad mätning för att registrera ett mindre massvärde, skulle det göra att objektet verkar lättare?

förstå Newton

objektets rörelse styrs av Newtons rörelselagar. Dessa lagar inkluderar principerna om momentum och energibesparing. Vi ser dessa principer i handling överallt; de fungerar alltid och vi har ingen anledning att tvivla på dem.
En annan princip är jämvikten av krafter. Om du trycker mot ett objekt alltid ‘skjuter tillbaka’ med lika mycket kraft i motsatt riktning. Den genomsnittliga personen vet detta som”för varje handling finns en lika och motsatt reaktion”. Till” Lika och motsatt “kan vi lägga till” och samtidigt ” eftersom reaktionskraften alltid trycker tillbaka i samma ögonblick.
eller gör det?
När du trycker mot något du inte i själva verket driver det direkt. Till exempel när du använder din hand för att stänga en dörr, berör din hand faktiskt inte dörren. Istället kommer elektronerna som omger atomerna i det yttre lagret av din hand mycket nära elektronerna på dörrens yta. Vid denna tidpunkt trycker elektronskikten mot varandra och tvingar din hand och dörren isär.
den kraft du känner är egentligen bara elektrostatisk repulsion. Elektronerna avvisar varandra med lika stor kraft och detta ger “lika och motsatt” effekt.
Nu är det här det blir intressant. Vi vet att laddade partiklar inte trycker varandra direkt. Istället genererar varje partikel ett fält, och det fältet interagerar sedan med andra partiklar. Vi vet också att fältet färdas med begränsad hastighet: ljushastighet. Därför finns det en kort fördröjning mellan när en partikel rör sig och en annan svarar.

en tids-och Rörelsestudie

för att förstå konsekvenserna av försenat svar låt oss studera en enkel situation med laddade partiklar. Se nedan.

i ovanstående diagram hålls två positivt laddade partiklar ett fast avstånd från varandra. Låt vänster-och högerpartiklarna kallas partiklarna 1 och 2, respektive färgade blå respektive gröna. För enkelhetens skull säger vi att de var och en har en laddning på 1 (i godtyckliga enheter), en massa på 1 och separeras med ett avstånd på 1. De står stilla, hålls på plats, och var och en upplever en motsatt kraft på 1 Newton.låt ljusets hastighet vara 1 enhetsavstånd per sekund, vilket innebär att det tar 1 sekund för fältet att kommunicera mellan partiklar. Tiden är nu T-minus-en sekund. Vi kommer att hålla partiklarna i denna position i 1 sekund för att ge tid för deras statiska fält att nå varandra.
Nu vid t = 0 sekunder släpper vi båda partiklarna. Vi ger partikeln 2 (till höger) en skarp knuff mot partikeln 1 så att den nu färdas med 50% ljusets hastighet. Se nedan.

vi vill veta hur dessa partiklar kommer att röra sig och vad effekten av fältfördröjningen kommer att ha. Till att börja med låt oss dock ta standardfallet där vi antar att ljuset rör sig i oändlig hastighet och interaktioner är omedelbara.

ovanstående diagram visar position och hastighet för partiklarna 1 och 2 under en 1,5 sekunders period. Figur 3 visar deras positioner (blå och gröna linjer), med den röda linjen som deras masscentrum. Figur 4 visar hastigheter med den röda linjen som representerar total fart. Som förväntat rör sig massans centrum i en rak linje och momentum bevaras; förblir konstant hela tiden.
Nästa kommer vi att ställa in ljusets hastighet på 1 Enhet per sekund.

Figur 5 visar hastigheten för partiklarna 1 och 2 och total momentum (samma färgschema). Under de första 0,8 sekunderna följer partikel 1 (Blå) samma väg som tidigare. Plötsligt träffas det med effekten av partikel 2s fält som rör sig vid 0.5 c till vänster, vilket ökar 1s acceleration.
partikel 2 (Grön) skiljer sig från föregående scenario. Det känns omedelbart ett stort motstånd på grund av dess rörelse i partikel 1s befintliga fält. Vid 1.2 sekunder, partikel 2 känner en minskning av kraften från partikel 1: s fält, på grund av partikel 1: s första rörelse till vänster. Partikel 2s acceleration minskar sedan något (även om det är svårt att se i diagrammet).
vad som är viktigare är dock momentum (röd linje). Som kan ses är det inte en konstant och har inte bevarats.
ovanstående diagram (figur 5) gjordes med hjälp av VDCL (Velocity Dependent Coulombs lag). För jämförelse, låt oss upprepa ovanstående med standard Coulombs lag.

i Figur 6 uppträder partikel 1 (Blå) mycket lik den oändliga ljushastigheten. Sedan vid 0,92 sekunder drabbas den av en ökning av fält från partikel 2. Partikel 2 (Grön) känner omedelbart en ökning av kraften från partikel 1, på grund av att den är närmare; även om kraften inte ökar lika mycket som med VDCL-fallet. Sedan vid 1,36 sekunder upplever den en liten nedgång i kraft på grund av partikel 1s rörelse (även om det är svårt att se i diagrammet).det viktiga att notera är dock att momentum (röd linje) fortfarande inte bevaras, även med standard Coulombs lag. Även om det inte är så förvrängt som VDCL-fallet.

spelar krocket

Låt oss titta på hur detta kan översättas till en förlust av massa. Tänk dig att du håller en krocket klubba (hammare) och är på väg att slå en boll. Se nedan.

i den vänstra ramen närmar sig klubban en stillastående boll. I den högra ramen klubban har slagit bollen som nu fortkörning bort. Om vi känner till massan av mallet och hastigheterna hos föremålen före och efter, kan vi bestämma massan av bollen med hjälp av momentumbevarande lagar.låt oss nu säga att det finns en rad liknande bollar och du slår dem en i taget och applicerar samma mängd kraft på klubban varje gång. När du gör det observerar du att varje boll rör sig bort med samma hastighet. Du slår sedan en boll och märker att den rör sig bort med högre hastighet.
din första tanke skulle vara att den här bollen måste vara lättare än de andra. Denna slutsats skulle baseras på din förtrogenhet med momentumlagar. Men vad händer om bollen faktiskt hade samma massa som de andra och ändå på något sätt pressade hårdare mot klubban? Detta skulle få det att röra sig snabbare och ge intrycket att det var lättare. Hur kunde det hända?
jämför rörelsen mellan figurerna 4 och 5 ovan. I Figur 5 märker du att när partikel 2 (Grön) ursprungligen rörde sig snabbt till vänster fick den en stark push-back från fältet partikel 1 (Blå). Detta orsakade partikel 2 att skjutas snabbare till höger än det gjorde i Figur 4. Inledningsvis partikel 1 såg ingen av denna rörelse och, när det gjorde, det var längre bort och därmed hade mindre av ett svar. Nettoresultatet var att partikel 2 rörde sig snabbare bort från partikel 1, som om den var lättare.
nyckeln här är acceleration. Partikel 2 kände en plötslig ökning av motsatt kraft eftersom den ökade sin hastighet mot partikel 1. Hade partikel 2 närmade sig 1 från ett stort avstånd med stadig hastighet, skulle 1 och 2 uppleva lika och motsatta krafter.

Elektronbanor

Låt oss nu titta på hur detta kan påverka atomer. När en elektron sjunker till en lägre bana rör den sig närmare kärnan och känner en större attraktiv kraft. Ungefär som planeter nära solen, skulle det behöva kretsa snabbare för att upprätthålla stabilitet.
men inte bara kommer hastigheten att öka, så kommer dess acceleration när den ses längs en riktning. Effekterna av detta kan ses i följande sekvens av diagram.

ovan är två väteatomer med sina elektroner i olika banor. Den övre atomen har en hög bana och den nedre atomen en låg bana. Till vänster finns en vägg av elektroner som representerar den yttre huden på ett närmande föremål. På detta avstånd är väggen för långt borta för att ha stor effekt på atomerna.

nu är väggen (ovan) på avstånd där partiklarna interagerar med den. Elektronen med hög omlopp rör sig och accelererar långsamt in i den närmande väggens fält. Som ett resultat om känns en svag motsatt kraft. Elektronen med låg omlopp rör sig och accelererar snabbt in i den närmande väggens fält. Som ett resultat känns det en stark motsatt kraft.
slutresultatet är att den låga omloppsatomen rör sig snabbare bort från objektet än den höga omloppsatomen.

detta ger intrycket att den låga omloppsatomen väger mindre än den höga omloppsatomen, medan de i verkligheten väger samma.

själv framdrivning?

som framgår av ovanstående demonstrationer, som härleddes från datorsimuleringar förresten, orsakar ljusets begränsade hastighet att momentum och masscentrum inte bevaras perfekt. En intressant applikation härrör från detta.
det bör vara teoretiskt möjligt att få ett objekt att flytta sitt masscentrum utan att trycka mot ett externt objekt. Detta skulle innebära att elektriskt laddade komponenter i objektet accelereras mot varandra på ett lämpligt sätt. Gjort korrekt skulle detta orsaka en nettoökning av hastighet i en given riktning. Om denna process upprepades kontinuerligt skulle det leda till önskad ändhastighet, ännu större än ljushastighet, utan att behöva mata ut ett drivmedel.
för att se hur detta kan fungera i verkligheten, se detta kompletterande kapitel:
Ideas for Propellantless Propulsion (

andra överväganden

ovanstående antaganden är ofullständiga eftersom de inte ger ekvationer för att förutsäga omfattningen av uppenbar massförlust. Vi måste också överväga hur denna massförlust kan fungera vid gravitationsmätningar och hur sammanfogning av protoner och neutroner kan orsaka förändringar i massa.

slutsatser

Newtons rörelselagar bygger på ett antagande om att motsatta krafter mellan objekt fungerar samtidigt. Under normala situationer är detta ett helt rimligt antagande. När två objekt påverkar varandra, dvs ‘beröring’, är avståndet mellan dem så litet och ljusets hastighet så snabbt att svarstiden kan betraktas som omedelbar.
men så är inte alltid fallet. Den ändliga hastigheten hos elektriska fält innebär att under situationer med hög acceleration följer rörelsen av laddade partiklar inte den förväntade newtonska vägen.
när elektroner rör sig i lägre banor rör de sig och accelererar snabbare. Detta får dem att ge en högre grad av repulsion mot fältet för en andra atom. Detta kan i sin tur göra att den första atomen verkar ha förlorat massa, när dess massa faktiskt inte har förändrats.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.