Взаимосвязь массы и энергии покоя

Масса и энергия покоя связаны уравнением

из которого вытекает, что всякое изменение массы Ат сопровождается изменением энергии покоя АЕо.

Это утверждение носит название закона взаимосвязи массы и энергии покоя, оно стало символом современной физики.

Взаимосвязь между массой и энергией оценивалась А. Эйнштейном как самый значительный вывод специальной теории относительности. По его выражению, масса должна рассматриваться как «сосредоточение колоссального количества энергии». При этом масса в теории относительности не является более сохраняющейся величиной, а зависит от выбора системы отсчета и характера взаимодействия между частицами.

Определим энергию, содержащуюся в 1 г любого вещества, и сравним ее с химической энергией, равной 2,9 104Дж, получаемой при сгорании 1 гугля. Согласно уравнению Эйнштейна, Е = тс2у имеем

Таким образом, собственная энергия в 3,110 раз превышает химическую энергию.

Из этого примера видно, что если высвобождается лишь одна тысячная доля собственной энергии, то и это количество в миллионы раз больше того, что могут дать обычные источники энергии.

Суммарная масса взаимодействующих частиц нс сохраняется. Рассмотрим другой пример. Пусть две одинаковые по массе частицы т движутся с одинаковыми по модулю скоростями навстречу друг другу и абсолютно неупруго столкнутся.

До соударения полная энергия каждой частицы Е равна:

Е = тс2 j у 1-р2. Полная энергия образовавшейся частицы Мс2. Эта новая частица имеет скорость ц = 0 . Из закона сохранения энергии:

отсюда М равно:

Таким образом, сумма масс исходных частиц 2т меньше массы образовавшейся частицы М. В этом примере кинетическая энергия частиц превратилась в эквивалентное количество энергии покоя, а это привело к возрастанию массы:

(это при отсутствии выделения энергии при соударении частиц).

Пусть система (ядро) состоит из N частиц с массами т9 022.../и,-. Ядро не будет распадаться на отдельные частицы, если они связаны друг с другом. Эту связь можно охарактеризовать энергией связи Есв. Энергия связи - энергия, которую нужно затратить, чтобы разорвать связь между частицами и разнести их на расстояние, при котором взаимодействием частиц друг с другом можно пренебречь.

где AM = (/и, + т2 +... + т,-)-М; AM - дефект массы.

п

Видно, что ?св будет положительна, если М < ^mi, что и наблюда-

/=1

стся на опыте.

При слиянии частиц энергия связи высвобождается (часто в виде электромагнитного излучения).

238

Например, ядро U имеет энергию связи

Ядерной реакцией называется процесс взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или другим ядром, приводящий к преобразованию исходного ядра. Например:

Это реакция взаимодействия протона с ядром лития. Реакция протекает с выделением энергии.

В ядерной энергетике большой практический интерес имеют реакции с участием нейтронов, в частности реакция деления ядер 2Ц U :

Реакция протекает при захвате ядрами 2Ц] медленных нейтронов. Ядра иттрия и йода - это осколки деления. Ими могут быть и другие ядра. Характерно, что в каждом акте деления возникает 2-3 нейтрона, которые могут вызвать деление других ядер урана, причем также с испусканием нейтронов. В результате количество делящихся ядер стремительно нарастает. Возникает цепная ядерная реакция с выделением большого количества энергии.

Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления атомных ядер, называется ядерным реактором. Его основные элементы: ядерное топливо, замедлитель нейтронов, теплоноситель для отвода тепла и устройство для регулирования скорости реакции (рис. 10.11).

Атомная электростанция

Рис. 10.11. Атомная электростанция

Термоядерные реакции - это реакции синтеза легких ядер, протекающие при очень высоких температурах. Высокие температуры необходимы для сообщения ядрам энергии, достаточной для того, чтобы сблизиться до расстояния, сравнимого с радиусом действия ядерных сил (КГ15 м).

Энергия, выделяющаяся в процессе термоядерных реакций в расчете на один нуклон, существенно превышает удельную энергию, выделяющуюся в процессе реакций деления тяжелых ядер. Так, при синтезе тяжелого водорода - дейтерия, со сверхтяжелым изотопом водорода - тритием, выделяется энергия около 3,5 МэВ на один нуклон, в то время как в процессе деления ядер урана, выделяется примерно 0,85 МэВ энергии на один нуклон.

Термоядерная реакция синтеза дейтерия с тритием:

наиболее перспективна в плане получения практически неисчерпаемого источника энергии. Однако, осуществление такой реакции в управляемом режиме, равно как и других реакций синтеза, в настоящее время является пока проблемной задачей, хотя успехи в этом направлении несомненны. В настоящее время уже получена плазма, температура которой порядка 2-10х К, а время удержания не менее 2 с при выделяемой мощности до 2 МВт.

На рис. 10.12 изображена одна из моделей термоядерного реактора ТОКАМАК.

Модель термоядерного реактора ТОКАМАК 205

Рис. 10.12. Модель термоядерного реактора ТОКАМАК 205

Есть надежда, что термоядерный реактор практического применения будет создан уже в первой четверти XXI века.

Выделяется в виде энергии не более 0,1 % массы вещества. Полностью энергия покоя выделяется только при аннигиляции в виде электромагнитного излучения, как, например, при аннигиляции электрона и позитрона (рис. 10.13).

На рис. 10.14 представлен фотоснимок треков частиц при аннигиляции антипротона на протоне.

Схема аннигиляции Рис. 10.14. Треки частиц при аннигиляции

Рис. 10.13. Схема аннигиляции Рис. 10.14. Треки частиц при аннигиляции

электрона и позитрона антипротона на протоне

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >