• Главная
  • Связь между энергией и массой и уравнение Эйнштейна

Связь между энергией и массой и уравнение Эйнштейна

Самым важным результатом специальной теории относительности можно назвать взаимосвязь между массой и энергией. Именно этот результат лежит в основе современной физики.

Известное уравнение Эйнштейна показывает эту взаимосвязь:

Энергия любого тела равна его массе, умноженной на квадрат скорости света.

Здесь m — релятивистская масса тела (кг), c = 3·108 м/с — скорость света в вакууме, E — энергия движущегося тела (Дж).

Из уравнения видно,что энергия эквивалентна массе, по сути, эти два физических понятия являются двумя сторонами одной медали. Всякий раз, когда материальная точка имеет энергию, она обладает массой, и если что-либо имеет массу, то является носителем энергии.

Если изменяется энергия тела, то меняется и его масса:

Величина 1/с2 — очень мала, поэтому изменение массы практически незаметно. Заметный результат можно обнаружить при очень больших изменениях энергии. Например, при взаимодействии элементарных частиц внутри атомных ядер.

Уравнение Эйнштейна можно объяснить на следующем примере:

Массы всех стабильных ядер меньше, чем сумма масс составляющих их элементарных частиц (протонов и нейтронов) в свободном состоянии. Это означает, что когда протоны и нейтроны соединяются, образуя ядро какого-либо вещества, происходит потеря массы, которая выделяется в виде энергии.

Выделение энергии возможно и при распаде атома. Например, при бомбардировке протонами атома лития происходит его расщепление, образование двух альфа-частиц и превращение некоторой части массы атома в энергию.

Если тело не движется, то его скорость равна нулю, а масса называется массой покоя m0. Покоящееся тело обладает энергией:

Здесь Е0 — энергия покоя тела.

Элементарные частицы обладают массой покоя. Во время ядерных реакций их энергия покоя преобразуется в кинетическую энергию новых частиц.

Уравнение Эйнштейна оказало существенную роль в истории исследования деления ядер в качестве инструмента ядерной энергетики. Так как энергия и масса эквиваленты, высокочувствительные измерения масс различных ядер атомов дали исследователям важные подсказки о силах ядерных реакций. Уравнение Эйнштейна не говорит учёным почему энергия ядерной связи является большой величиной, но открывает один из способов её измерения.

Взаимосвязь между массой и энергией сыграла решающую роль в истории создания атомной бомбы. По просьбе физика Лео Силарда, Эйнштейн написал письмо американскому президенту Т. Рузвельту, рассказывая в нём о потенциальной силе ядерного оружия и о возможностях нацистской Германии для создания такого оружия, а также призвал президента принять меры. Это письмо сыграло роль в политических процессах, которые завершились в проекте Манхэттен — разработке, изготовлении и испытаниях первой атомной бомбы.