Ekvivalencija mase i energije

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
4,5 metara visok kip Einsteinove formule iz 1905. E = mc² na Šetnji ideja, Njemačka.
Jedna od mogućih nuklearnih fisijskih lančanih reakcija: 1. atom uranija-235 hvata spori neutron i raspada se na dva nova atoma (fisioni fragmenti – barij-141 i kripton-92), oslobađajući 3 nova neutrona i ogromnu količinu energije vezanja (200 MeV), što prestavlja u ovom slučaju defekt mase. 2. jedan od tih neutrona bude uhvaćen od atoma uranija-238 i ne nastavlja reakciju. Drugi neutron napušta sustav bez da bude uhvaćen. Ipak, jedan od neutrona se sudara s novim atomom uranija-235, koji se raspada na dva nova atoma (fisioni fragmenti), oslobađajući 3 nova neutrona i ogromnu količinu energije vezanja (200 MeV), što je opet defekt mase. 3. dva se neutrona sudaraju s dva atoma uranija-235 i svaki se raspada i nastavlja reakciju.

Ekvivalencija mase i energije ili Einsteinova relacija kaže da svakomu tijelu treba pripisati energiju koja je jednaka umnošku mase toga tijela i kvadrata brzine svjetlosti. Na temelju te relacije (toga odnosa) može se zaključiti da su u jezgrama atoma sadržane goleme količine energije, jer je gotovo sva masa atoma koncentrirana u njegovoj jezgri. Modernim rezultatima o raznim nuklearnim reakcijama, o cijepanju atoma, o dobivanju jednoga dijela te energije u korisne (atomski reaktori) i u razorne svrhe (atomska bomba) ta je relacija, koju je 1905. postavio Albert Einstein, svestrano potvrđena i predstavlja jednu od osnovnih zakonitosti u prirodi. [1]

U fizici, ekvivalentnost mase i energije je koncept da sva masa ima energetski ekvivalent, te da sva energija ima maseni ekvivalent. Specijalna teorija relativnosti izražava ovaj odnos rabeći formulu ekvivalentnosti mase i energije:

pri čemu je

Nekoliko definicija mase u specijalnoj teoriji relativnosti se mogu valjano rabiti u ovoj jednadžbi, ali ako je energija u formuli energija mirovanja, tada masa mora biti masa mirovanja (također zvana "invarijantna masa"). Jednadžba se popularno pripisuje Einsteinu 1905. u poznatim Annus Mirabilis ("divne godine") radovima, iako Einstein nije bio prvi koji je predložio relaciju između mase i energije, pa se jednadžba pojavljivala u radovima koji su prethodili Einsteinovu teoriju. U formuli, c² je faktor očuvanja zahtijevan za konverziju iz jedinice mase u jedinicu energije, to jest, gustoća energije. U jediničnim terminima, E  (džula ili kg·m²/s²) = m (kilograma) pomnoženo sa (299 792 458 m/s)2.

Defekt mase[uredi VE | uredi]

Vista-xmag.pngPodrobniji članak o temi: Defekt mase

Defekt mase je gubitak mase prilikom prelaska sustava u niže energetsko stanje zbog emisije energije iz sustava. Defekt mase u skladu je s Einsteinovim zakonom o ekvivalentnosti mase i energije (1905.):

Iako je defekt mase općenita pojava kod svih izmjena energije, tim se pojmom obično označuje manjak mase atoma prema ukupnoj masi u njemu sadržanih nezavisnih protona, neutrona i elektrona; taj manjak potječe od gubitka energije potrebne za međusobno vezanje nukleona u atomskoj jezgri, a iznosi približno do 1% mase atoma. Kako je nuklearna energija vezanja po jednom nukleonu različita za pojedine jezgre, pri pretvorbi kemijskih elemenata potrebno je dovesti energiju izvana, ali i osloboditi energiju iz jezgre, ovisno o vrsti atoma. Energija vezanja po nukleonu raste, uz kolebanja, od deuterija do jezgara relativne atomske mase oko 60, a zatim dalje opada kod težih elemenata. Zbog toga je moguće dobiti energiju pri razbijanju najtežih elemenata (nuklearna fisija), a također i pri spajanju najlakših elemenata (nuklearna fuzija). Budući da je defekt mase posljedica emisije energije iz sustava, povratak u početno stanje moguć je samo ako sustav apsorbira istu količinu energije.

Na primjer relativna atomska masa deuterija (2,01410 u ili unificirane jedinice atomske mase) manja je od zbroja masa protona (1,00728 u), neutrona (1,00866 u) i elektrona (0,00055 u) za 0,00238 u. Kako je (prema Einsteinovoj jednadžbi) unificirana atomska jedinica mase jednakovrijedna (ekvivalentna) 931,16 MeV, prilikom vezanja sporih neutrona s vodikom u deuterij emitira se u obliku gama zračenja energija od 2,225 MeV (= 0,00239 × 931,16 MeV). Mjerenja na obrnutom procesu, apsorpciji gama zračenja u deuteriju, pokazuju da se i za razbijanje deuterija utroši 2,225 MeV od apsorbirane energije. Iste pojave u zamršenijem obliku postoje i u složenijim atomima. [2]

Izvori[uredi VE | uredi]

  1. Einsteinova relacija, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.
  2. defekt mase, [2] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.