Урок 6. СВЯЗЬ МЕЖДУ МАССОЙ И ЭНЕРГИЕЙ

     Перейдем теперь к важнейшему следствию теории относительности, играющему одну из главных ролей в ядерной физике и физике элементарных частиц. Речь пойдет об универсальной связи между энергией и массой.

     Связь между энергией и массой неизбежно следует из закона сохранения энергии и того факта, что масса тела зависит от скорости его движения. Это видно из простого примера. При нагревании газа в сосуде ему сообщается определенная энергия. Скорость хаотического теплового движения молекул зависит от температуры и увеличивается с нагреванием газа. Увеличение скорости движения молекул согласно формуле (2.6) означает увеличение массы всех молекул. Следовательно, масса газа в сосуде увеличивается при увеличении его внутренней энергии. Между массой газа и его энергией существует связь.

Формула Эйнштейна

     С помощью теории относительности Эйнштейн установил замечательную по своей простоте и общности формулу связи между энергией и массой:

   (2.9)

     Энергия тела или системы тел равна массе, умноженной на квадрат скорости света.

     Если изменяется энергия системы, то изменяется и ее масса:

   (2.10)

     Так как коэффициент очень мал, то заметные изменения массы возможны лишь при очень больших изменениях энергии. При химических реакциях или при нагревании тел в обычных условиях изменения энергии настолько малы, что соответствующие изменения масс не удается обнаружить на опыте. Горячий чайник имеет большую массу, чем холодный; но даже с помощью самых чувствительных весов эта разность не может быть обнаружена. Лишь при превращениях атомных ядер и элементарных частиц изменения энергии оказываются настолько большими, что изменение массы уже заметно.

     При взрыве водородной бомбы выделяется около 10¹⁷ Дж. Эта энергия превышает выработку электроэнергии на всем земном шаре за несколько дней. Выделяющаяся энергия уносится вместе с излучением. Излучение наряду с энергией обладает массой, которая составляет 0,1% массы исходных материалов.

Энергия покоя

     Согласно формуле (2.9) тело обладает энергией и при скорости, равной нулю. Это энергия покоя Е0:

Е₀ = m₀c² (2.11)

     Это замечательный результат. Любое тело уже только благодаря факту своего существования обладает энергией, которая пропорциональна массе покоя m₀.

     При превращениях элементарных частиц, обладающих массой покоя, в частицы, у которых m₀=0, энергия покоя целиком превращается в кинетическую энергию вновь образовавшихся частиц. Этот факт является наиболее очевидным экспериментальным доказательством существования энергии покоя.

В физике известны лишь две «великие формулы», чрезвычайно простые и краткие по форме и всеобъемлющие по содержанию. Одна из них — формула Эйнштейна Е=mс². С другой формулой, формулой Планка, вы познакомитесь в квантовой физике.

?  1. В чем состоит закон взаимосвязи мессы и энергии? 2. Что такое энергия покоя? 3. Почему при нагревании тела не удается обнаружить на опыте увеличения его массы?