Masas un enerģijas ekvivalence
Masas un enerģijas ekvivalence sasaista miera masu ar enerģiju, izmantojot E₀ = mc². Kodolfizikā tas nenozīmē, ka “viela pazūd”; miera masa ir daļa no visas sistēmas enerģijas bilances. Tāpēc pat ļoti maza masas starpība starp sākuma un beigu stāvokli var atbilst izmērāmai izdalītai vai absorbētai enerģijai.
Miera enerģija un pilnā relatīvistiskā enerģija
Sistēmai ar miera masu m miera enerģija ir E₀ = mc². Tā pastāv arī tad, ja izvēlētajā atskaites sistēmā ķermenim nav kinētiskās enerģijas. Kustīgai daļiņai pilnā relatīvistiskā enerģija ir saistīta arī ar impulsu, tāpēc E = mc² nav vispārīga kustīgas daļiņas enerģijas formula.
Saistītas sistēmas masa atspoguļo arī tās iekšējo enerģiju. Ja vienai sistēmai divos stāvokļos ir atšķirīga iekšējā enerģija, to miera masas var nedaudz atšķirties. Tas ļauj kodolprocesu enerģiju pētīt ar precīziem masas mērījumiem.
Q vērtība raksturo enerģijas bilanci
Reakcijai vai sabrukšanai Q = (msākuma − mbeigu)c², ja masas abās pusēs salīdzinātas konsekventi. Ja Q > 0, produktu kopējā miera masa ir mazāka un starpība var parādīties kā kinētiskā enerģija vai fotonu enerģija. Ja Q < 0, procesam nepieciešama pievadīta enerģija.
Lietojot atommasas vienības, ērta sakarība ir 1 u·c² ≈ 931,5 MeV. Ja izmanto neitrālu atomu masas, elektronu masas abās vienādojuma pusēs jāuzskaita vienādi.
Masas defekta pārveidotājs
Kāpēc c² padara mazas masas starpības nozīmīgas
Gaismas ātrums ir ļoti liels, un formulā tas ir kvadrātā. Tāpēc pat dažas tūkstošdaļas no atommasas vienības var atbilst vairākiem MeV. Ķīmiskās reakcijās relatīvā masas maiņa parasti ir pārāk maza ikdienas svēršanai, bet kodolreakcijās tā ir būtiska.
Nav vajadzības iztēloties atsevišķu “masas enerģiju”, kas pēc reakcijas tiek pievienota citām enerģijām. Precīzāk ir salīdzināt visu sākuma un beigu sistēmu un vienlaikus ievērot enerģijas un impulsa nezūdamību.
Kodolsintēze un kodoldalīšanās izmanto to pašu bilanci
Kodolsintēzē viegli kodoli var izveidot stiprāk saistītu kodolu. Kodoldalīšanās laikā ļoti smags kodols var sadalīties stiprāk saistītos vidējas masas fragmentos. Abos gadījumos enerģija var izdalīties tāpēc, ka beigu sistēmas miera enerģija ir mazāka.
Q zīmi un lielumu nenosaka tikai daļiņu skaits. Jāņem vērā konkrēto kodolu reālās masas un produktu ierosmes stāvokļi.
Atrisināti piemēri
1. Masas defekta pārrēķins
Risinājums
Ja Δm = 0,0024 u, tad Q ≈ 0,0024 × 931,5 = 2,236 MeV. Ļoti maza masas starpība atbilst vairākiem MeV.
2. Enerģija no masas SI vienībās
Risinājums
Ja Δm = 1,0 × 10⁻¹² kg un c ≈ 3,00 × 10⁸ m/s, tad E = Δmc² ≈ 9,0 × 10⁴ J.
3. Q zīme
Risinājums
Ja kopējā sākuma masa ir lielāka par beigu masu, Q ir pozitīvs un enerģija var izdalīties. Pretējā gadījumā nepieciešama enerģijas pievadīšana.