Massan ja energian ekvivalenssi

Massan ja energian ekvivalenssi tarkoittaa, että lepomassa kuuluu järjestelmän energiasisältöön. Levossa olevan järjestelmän lepoenergia on E₀=mc², ja ydinfysiikassa hyvin pienet massojen erot voivat vastata suoraan mitattavia MeV-luokan energioita.

Lepoenergia ja relativistinen kokonaisenergia

Yhtälö E₀=mc² koskee lepoenergiaa. Liikkuvalle hiukkaselle kokonaisenergia toteuttaa E²=(pc)²+(mc²)², joten energiaa ja liikemäärää on käsiteltävä yhdessä.

Ydinreaktiossa ei siis saa laskea vain massoja irrallaan kinematiikasta. Ennen ja jälkeen prosessin kokonaisenergia ja kokonaisliikemäärä säilyvät.

Lepoenergia ja relativistinen kokonaisenergiaΔmΔEΔE = Δmc²
Lepoenergia ja relativistinen kokonaisenergia — Yhtälö E₀=mc² koskee lepoenergiaa. Liikkuvalle hiukkaselle kokonaisenergia toteuttaa E²=(pc)²+(mc²)² , joten energiaa ja liikemäärää on käsiteltävä yhdessä.

Atomimassayksikkö on kätevä ydinfysiikassa

Yksi atomimassayksikkö vastaa energiaa noin 931,5 MeV/c². Siksi massamuutos Δm voidaan muuntaa energiamääräksi kaavalla ΔE=Δmc².

Tämä muunnos ei tarkoita, että massa ”katoaa”. Sidotun järjestelmän massa sisältää sen sisäisen energian; kun energia vapautuu, myös lopputilan lepomassa voi olla pienempi.

Massa–energia-muunnin

Q-arvo kertoo reaktion energiataseen

Reaktion Q=(m_alku−m_loppu)c². Positiivinen Q tarkoittaa, että lepoenergian erotusta voidaan vapauttaa esimerkiksi kineettisenä energiana tai säteilynä. Negatiivinen Q tarkoittaa, että prosessi tarvitsee vähintään vastaavan energian.

Atomimassoja käytettäessä elektronit on laskettava johdonmukaisesti kummallakin puolella. Muuten pieni elektronimassojen ero voi vääristää MeV-tason tulosta.

Q-arvo kertoo reaktion energiataseenmuuttujavasteQ = Δmc²fysikaalinen yhteys
Q-arvo kertoo reaktion energiataseen — Reaktion Q=(m_alku−m_loppu)c² . Positiivinen Q tarkoittaa, että lepoenergian erotusta voidaan vapauttaa esimerkiksi kineettisenä energiana tai säteilynä. Negatiivinen Q tarkoittaa, että prosessi tarvitsee vähintään vastaavan energian.

Massavaje ja sidosenergia liittyvät samaan kirjanpitoon

Sidotun ytimen massa on pienempi kuin erillisten vapaiden nukleonien massojen summa. Massavajeen energia Δmc² on ytimen sidosenergia.

Sidosenergia ja reaktion Q-arvo eivät kuitenkaan ole sama suure: sidosenergia kuvaa yhden ytimen sidosta, Q-arvo taas vertaa kokonaisia alku- ja lopputiloja.

Ratkaistuja esimerkkejä

1. Pieni massavaje

Δm=0,0020 u.

Ratkaisu

ΔE≈0,0020×931,5=1,86 MeV.

2. Kilogrammoina

Δm=1,0×10⁻¹² kg.

Ratkaisu

ΔE=mc²≈9,0×10⁴ J.

3. Endoterminen Q

Lopputuotteiden massa on 0,0050 u suurempi.

Ratkaisu

Q=−0,0050×931,5≈−4,66 MeV.

Ydinreaktion käytettävissä oleva energia jakautuu lopputuotteiden kineettiseksi energiaksi, fotoneiksi ja mahdolliseksi viritysenergiaksi liikemäärän säilymisen asettamilla ehdoilla. Pelkkä positiivinen Q ei aina tee reaktiosta todennäköistä: Coulomb-esteet, kvanttiluvut ja muut valintasäännöt voivat edelleen rajoittaa prosessin nopeutta.