Massan säilymisen laki

Massan säilymislaki  on fysiikan laki , jonka mukaan fysikaalisen järjestelmän massa säilyy kaikissa luonnollisissa ja keinotekoisissa prosesseissa.

Metafyysisessä muodossaan, jonka mukaan aine on luomatonta ja tuhoutumatonta, tämä laki on tunnettu muinaisista ajoista lähtien. Myöhemmin ilmestyi kvantitatiivinen muotoilu, jonka mukaan aineen määrän mitta on paino (1600-luvun lopusta - massa).

Klassisen mekaniikan ja kemian näkökulmasta suljetun fysikaalisen järjestelmän kokonaismassa säilyy, mikä on yhtä suuri kuin tämän järjestelmän komponenttien massojen summa (eli massaa pidetään additiivisena ). Tämä laki pätee suurella tarkkuudella Newtonin mekaniikan ja kemian sovellettavuuden alalla, koska relativistiset korjaukset näissä tapauksissa ovat mitättömiä.

Nykyfysiikassa massan käsitettä ja ominaisuuksia on uudistettu huomattavasti. Massa ei ole enää aineen määrän mitta , ja massan säilymislaki liittyy läheisesti järjestelmän sisäisen energian säilymislakiin . Toisin kuin klassisessa mallissa, vain eristetyn fyysisen järjestelmän massa säilyy , eli ilman energianvaihtoa ulkoisen ympäristön kanssa. Järjestelmäkomponenttien massojen summa ei säily (massa ei ole additiivinen). Esimerkiksi radioaktiivisen hajoamisen aikana eristetyssä aineesta ja säteilystä koostuvassa järjestelmässä aineen kokonaismassa pienenee, mutta järjestelmän massa säilyy huolimatta siitä, että säteilyn massa voi olla nolla.

Historiallinen ääriviiva

Massan säilymislaki on historiallisesti ymmärretty yhdeksi aineen säilymislain muodoista . Yksi ensimmäisistä, jotka muotoili sen, oli antiikin kreikkalainen filosofi Empedokles ( 5 vuosisata eKr. ) [1] :

Mikään ei voi syntyä tyhjästä, eikä mitään olemassa olevaa voida tuhota.

Aiemmin Miletos-koulun edustajat käyttivät Empedoclesin "säilyttämisen periaatetta" muotoillakseen teoreettisia ideoita primääriaineesta, kaiken olemassa olevan perustasta [2] . Myöhemmin samanlaisen väitteen esittivät Demokritos , Aristoteles ja Epikuros ( Lucretius Caran uudelleen kertomana ).

Keskiajan tutkijat eivät myöskään ilmaisseet epäilystäkään tämän lain totuudesta. Francis Bacon julisti vuonna 1620: "Aineen summa pysyy aina vakiona, eikä sitä voi lisätä tai pienentää ... koko maailman massa ei voi voittaa pienintäkään osaa siitä eikä tuhota kaikkien yhteisvoimalla. agentteja, eikä niitä yleensä tuhota millään tavalla” [3] .

Alkemian ja sitten tieteellisen kemian kehittämisen aikana havaittiin, että reagenssien kokonaispaino ei muutu kemiallisten muutosten yhteydessä. Vuonna 1630 Jean Ré , kemisti Périgordista , kirjoitti Mersennelle [4] [5] [6] :

Paino on niin tiukasti sidottu alkuaineiden aineeseen, että vaihdellessaan toisilleen ne säilyttävät aina saman painon.

Alkuperäinen teksti  (fr.)[ näytäpiilottaa] La pesanteur est si étroitement jointe à la première matière des éléments que, se changeant de l'un en l'autre, ils gardent toujours le même poids.

Kun Newtonin teoksiin ilmestyi käsite massa aineen määrän mittana , aineen säilymislain muotoilu selkiytyi: massa on invariantti , eli kaikissa prosesseissa kokonaismassa ei vähene. tai kasvaa (paino, kuten Newton huomautti, ei ole muuttumaton, koska Maan muoto on kaukana ihanteellisesta pallosta).

Vuonna 1673 Robert Boylen kokeet kyseenalaistivat massan säilymisen lain - kemiallisen reaktion aikana kuumennuksella aineen paino kasvoi. Boyle päätteli tästä, että lämmön kantajalla (" phlogistonilla " sen ajan terminologiassa) oli negatiivinen massa; tämä hypoteesi palautti luottamuksen massan säilymiseen. Kuitenkin heti Boylen julkaisun jälkeen ranskalainen kemisti Cherubin d'Orleans ( Chérubin d'Orleans , 1679) huomautti Boylen virheestä: painon nousu johtui ilmasta, ja suljetussa astiassa paino pysyi ennallaan [7] . Myöhemmin, vuonna 1755, M.V. Lomonosov kirjoitti tästä kirjeessään L. Eulerille (katso teksti Wikilähteestä ):

Kaikki luonnossa tapahtuvat muutokset tapahtuvat siten, että jos jotain lisätään johonkin, se otetaan pois jostain muusta. Siten yhtä paljon ainetta lisätään yhteen kehoon, niin paljon katoaa toisesta, niin monta tuntia vietän nukkuessa, niin monta tuntia otan pois valveilla olemisesta jne.

Neuvostoliitossa tämän lauseen perusteella M.V. Lomonosov julistettiin massan säilymislain laatijaksi, vaikka hän ei koskaan vaatinut tällaista prioriteettia eikä mainitse tätä lakia "Katsauksessaan tärkeimmistä löydöistä". Nykyajan historioitsijat pitävät tällaisia ​​väitteitä perusteettomina [8] [9] [10] . On myös virheellistä, että Lomonosov [11] osoitti kokeellisesti massan säilymisen lain ;

Universaalin lain muotoili Lomonosov yleisfilosofisten materialististen näkemysten pohjalta, he eivät koskaan kyseenalaistaneet tai vahvistaneet sitä, vaan päinvastoin, se toimi hänelle vakaana lähtökohtana kaikissa opinnoissaan koko hänen elämänsä ajan.

Tulevaisuudessa, mikrokosmoksen fysiikan luomiseen asti, massan säilymisen lakia pidettiin totta ja ilmeisenä. Immanuel Kant julisti tämän lain luonnontieteen postulaatiksi [12] (1786). Lavoisier kirjassa "Kemian alkeisoppikirja" (1789) antoi tarkan kvantitatiivisen muotoilun aineen massan säilymislaista, mutta ei julistanut sitä uudeksi ja tärkeäksi laiksi, vaan mainitsi sen vain ohimennen pitkäksi. - tunnettu ja luotettavasti todistettu tosiasia. Kemiallisia reaktioita varten Lavoisier muotoili lain seuraavilla ilmaisuilla [13] :

Mitään ei tapahdu keinotekoisissa eikä luonnollisissa prosesseissa, ja voidaan todeta, että jokaisessa operaatiossa [kemiallinen reaktio] on sama määrä ainetta ennen ja jälkeen, että alkujen laatu ja määrä ovat pysyneet samana, vain siirtymiä, uudelleenjärjestelyjä on tapahtunut. Koko kemian kokeiden tekemisen taito perustuu tähän ehdotukseen.

Toisin sanoen suljetun fysikaalisen järjestelmän massa säilyy , jossa kemiallinen reaktio tapahtuu, ja kaikkien tähän reaktioon osallistuneiden aineiden massojen summa on yhtä suuri kuin kaikkien reaktiotuotteiden massojen summa (että se on myös säilynyt). Massaa pidetään siten lisäaineena.

Nykyinen tila

1900-luvulla löydettiin kaksi uutta massan ominaisuutta.

( M1 ) Fyysisen kohteen massa riippuu sen sisäisestä energiasta (katso massa-energiaekvivalenssi ). Kun ulkoinen energia imeytyy, massa kasvaa, kun sitä häviää, se pienenee. Tästä seuraa, että massa säilyy vain eristetyssä järjestelmässä , eli ilman energianvaihtoa ulkoisen ympäristön kanssa. Erityisen huomattava on massan muutos ydinreaktioiden aikana . Mutta edes kemiallisissa reaktioissa, joihin liittyy lämmön vapautuminen (tai imeytyminen), massa ei säily, vaikka tässä tapauksessa massavika on mitätön. Akateemikko L. B. Okun kirjoittaa [14] :

Korostaaksesi, että kehon massa muuttuu aina, kun sen sisäinen energia muuttuu, harkitse kahta yleistä esimerkkiä:

1) kun rautarautaa kuumennetaan 200°, sen massa kasvaa ; 2) jossa tietty määrä jäätä muuttuu kokonaan vedeksi .

( M2 ) Massa ei ole additiivinen suure: järjestelmän massa ei ole yhtä suuri kuin sen komponenttien massojen summa. Esimerkkejä ei-additiivisuudesta:

Siten fysikaalisten prosessien aikana, joihin liittyy fysikaalisten rakenteiden hajoaminen tai synteesi, järjestelmän ainesosien (komponenttien) massojen summa ei säily, mutta tämän (eristetyn) järjestelmän kokonaismassa säilyy:

Yllä oleva tarkoittaa, että modernissa fysiikassa massan säilymislaki liittyy läheisesti energian säilymislakiin ja suoritetaan samalla rajoituksella - on tarpeen ottaa huomioon energian vaihto järjestelmän ja ympäristön välillä.

Esirelativistinen fysiikka tunsi kaksi säilymisen peruslakia, nimittäin: energian säilymisen lain ja massan säilymisen lain; Molempia näitä peruslakeja pidettiin täysin toisistaan ​​riippumattomina. Suhteellisuusteoria on yhdistänyt ne yhdeksi [15] .

Lisätietoja

Jotta voitaisiin selittää tarkemmin, miksi massa nykyfysiikassa osoittautuu ei-additiiviseksi [16] (järjestelmän massa ei ole yleisesti ottaen yhtä suuri kuin komponenttien massojen summa), sen pitäisi ensin olla On huomattava, että termi massa tarkoittaa nykyfysiikassa Lorentzin invarianttia määrää :

missä  on energia ,  on liikemäärä ,  on valon nopeus . Ja huomaamme heti, että tämä lauseke on yhtä helposti sovellettavissa pisterakenteiseen ("alkuaine") hiukkaseen ja mihin tahansa fyysiseen järjestelmään, ja jälkimmäisessä tapauksessa järjestelmän energia ja liikemäärä lasketaan yksinkertaisesti summaamalla energiat ja momentit järjestelmän komponenteista (energia ja liikemäärä ovat additiivisia) .

Lisäksi huomaamme, että  se on universaali vakio, eli vain luku, joka ei koskaan muutu, joten periaatteessa voit valita sellaisen yksikköjärjestelmän, joka täyttyy , ja sitten mainittu kaava on vähemmän sotkuinen:

sekä muut siihen liittyvät kaavat (ja lyhyyden vuoksi käytämme alla juuri tällaista yksikköjärjestelmää).

Kun otetaan huomioon paradoksaalisin tapaus massan additiivisuuden rikkomisesta - tapaus, jossa usean (yksinkertaisuuden vuoksi rajoittumme kahteen) massattomaan hiukkaseen (esimerkiksi fotoniin) koostuvalla järjestelmällä voi olla nollasta poikkeava massa, on helppo nähdä mekanismi. joka luo massan ei-additiivisuutta.

Olkoon kaksi fotonia 1 ja 2 vastakkaisilla momenteilla: . Kunkin fotonin massa on nolla, joten voimme kirjoittaa:

eli jokaisen fotonin energia on yhtä suuri kuin sen liikemäärän moduuli. Huomaamme ohimennen, että massa on yhtä suuri kuin nolla, koska nollasta poikkeavien arvojen juuren merkin alla vähennetään toisistaan.

Tarkastellaan nyt näiden kahden fotonin järjestelmää kokonaisuutena laskemalla sen liikemäärä ja energia. Kuten näette, tämän järjestelmän liikemäärä on yhtä suuri kuin nolla (fotonin momentti, kun se on laskettu yhteen, tuhoutui, koska nämä fotonit lentävät vastakkaisiin suuntiin) [17] :

.

Fyysisen järjestelmämme energia on yksinkertaisesti ensimmäisen ja toisen fotonin energioiden summa:

No, tässä on järjestelmän massa:

(impulssit tuhoutuivat ja energiat muodostuivat - ne eivät voi olla eri merkkejä).

Yleisessä tapauksessa kaikki tapahtuu samalla tavalla kuin tämä, selkein ja yksinkertaisin esimerkki. Yleisesti ottaen järjestelmän muodostavien hiukkasten ei tarvitse olla nollamassoja, riittää, että massat ovat pieniä tai ainakin verrattavissa energioihin tai momenttiin [18] ja vaikutus on suuri tai havaittavissa. On myös nähtävissä, että massan tarkkaa additiivisuutta ei käytännössä koskaan ole olemassa, paitsi melko erikoistapauksissa.

Massa ja inertia

Massan additiivisuuden puute näyttäisi tuovan vaikeuksia. Niitä ei kuitenkaan lunasteta pelkästään sillä, että tällä tavalla määritelty massa (eikä muuten esim. energiana jaettuna valonnopeuden neliöllä) osoittautuu Lorentzin invariantiksi, käteväksi ja muodollisesti. kaunis määrä, mutta sillä on myös fyysinen merkitys, joka vastaa täsmälleen tavanomaista klassista käsitystä massasta hitauden mittana.

Nimittäin fyysisen järjestelmän lepoviitekehykselle (eli viitekehykselle, jossa fyysisen järjestelmän liikemäärä on nolla) tai viitekehykselle, jossa lepokehys liikkuu hitaasti (verrattuna valonnopeuteen), määritelmä edellä mainitusta massasta

- vastaa täysin klassista Newtonin massaa (sisältyy Newtonin toiseen lakiin ).

Tämä voidaan havainnollistaa konkreettisesti tarkastelemalla järjestelmää, joka on ulkopuolelta (ulkoisen vuorovaikutuksen kannalta) tavallinen kiinteä kappale, mutta sisältää nopeasti liikkuvia hiukkasia. Esimerkiksi harkitsemalla peililaatikkoa, jossa on täydellisesti heijastavat seinät, joiden sisällä on fotoneja (sähkömagneettisia aaltoja).

Yksinkertaisuuden ja vaikutuksen selkeyden vuoksi laatikko itsessään on (melkein) painoton. Sitten, jos, kuten yllä olevassa kappaleessa tarkasteltavassa esimerkissä, laatikon sisällä olevien fotonien kokonaisliikemäärä on nolla, laatikko on yleensä paikallaan. Samanaikaisesti ulkoisten voimien vaikutuksesta (esimerkiksi jos alamme työntää sitä) sen tulee käyttäytyä kuin kappale, jonka massa on yhtä suuri kuin fotonien kokonaisenergia jaettuna .

Ajatellaanpa sitä laadullisesti. Työnnämme laatikkoa, ja tämän vuoksi se on saanut hieman nopeutta oikealle. Yksinkertaisuuden vuoksi puhumme nyt vain sähkömagneettisista aalloista, jotka kulkevat tiukasti oikealle ja vasemmalle. Vasemmasta seinästä heijastuva sähkömagneettinen aalto lisää sen taajuutta ( Doppler-ilmiön vuoksi ) ja energiaa. Oikeasta seinästä heijastuva aalto päinvastoin vähentää taajuutta ja energiaa heijastuessaan, mutta kokonaisenergia kasvaa, koska täydellistä kompensaatiota ei ole. Tämän seurauksena keho saa kineettisen energian , joka on yhtä suuri kuin (jos ), mikä tarkoittaa, että laatikko käyttäytyy kuin klassinen massakappale . Sama tulos voidaan saada (ja vielä helpommin) nopeiden relativististen diskreettien hiukkasten seinien heijastukselle (pomppaamiselle) (myös ei-relativistisille, mutta tässä tapauksessa massa osoittautuu yksinkertaisesti [19] hiukkasten summaksi). laatikossa olevien hiukkasten massat).

Muistiinpanot

  1. ↑ Per. E. Radlova (katso esimerkiksi täältä ).
  2. ↑ Encyclopedia Around the World . Haettu 16. elokuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 2. toukokuuta 2014.
  3. ↑ F. Bacon , Works, Volume 2, Thought, 1978, s. 341-342,
  4. ↑ Jean Rey , Essais sur la recherche de la syy pour laquelle l'étain et le plomb augmentent de poids quand on les calcine, nouvelle édition revue sur l'exmplaire original et augmentée sur les manuscrits de la Bibliothèdes Mini dumes de la de la Bibliothèdes , avec des notes Arkistoitu 28. elokuuta 2016 paikassa Wayback Machine , par M. Gobet, Paris, Ruault, 1777, s. 21.
  5. ↑ Van Praagh, Gordon. Fysikaalinen kemia, kokeellinen ja teoreettinen: johdanto-oppikirja . - Cambridge University Press, 1950. - S. 63. - 295 s.
  6. ↑ Kirje Jean Relta . Haettu 19. maaliskuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 19. elokuuta 2016.
  7. ↑ World History of Physics, 2007 , s. 321-322..
  8. ↑ Shubinsky V. I. Lomonosov: Kokovenäläinen mies . - M . : Nuori vartija, 2010. - S.  346 -351 .. - 471 s. - ( Ihanien ihmisten elämä ). - ISBN 978-5-235-03323-8 .
  9. ↑ Sonin A. S. Useita jaksoja taistelusta "kosmopoliittisuutta" vastaan ​​fysiikassa. Arkistoitu 23. helmikuuta 2008 Neuvostoliiton tiedeakatemian Wayback Machine Bulletinissa, nro 8 (1990), s. 122-133.
  10. ↑ Dmitriev I.S. "Lahjattu onnellisimmalla nokkeluudella" (M.V. Lomonosovin kemialliset teokset eurooppalaisen valistuksen tieteen yhteydessä) . Haettu 19. huhtikuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 14. joulukuuta 2017.
  11. ↑ Dorfman Ya. G. Massan säilymisen laki kemiallisissa reaktioissa ja Lomonosovin fysikaaliset näkemykset  // Lomonosov M.V. Kokoelma artikkeleita ja materiaaleja. - M. - L .: Neuvostoliiton tiedeakatemian kustantamo, 1961. - T. 5 . - S. 182-193 .
  12. ↑ I. Kant. Luonnontieteen metafyysiset periaatteet. Teokset, osa VI, s. 148.
  13. ↑ Lavoisier. . Käyttöpäivä: 8. elokuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 7. tammikuuta 2012.
  14. ↑ Massan käsite, 1989 , s. 519.
  15. ↑ 1917 Einstein A. Kokoelma tieteellisiä artikkeleita. Osa 1. sivu 553.
  16. ↑ Tietysti se voi olla likimäärin additiivinen - ei-relativistisen mekaniikan approksimaatiossa kuitenkin heti kun järjestelmässä tapahtuu liikkeitä valonnopeuden kanssa verrattavissa olevilla nopeuksilla, massan additiivisuus on pääsääntöisesti rikkoi varsin tuntuvasti tai jopa voimakkaasti.
  17. ↑ Valittuamme (ehdon mukaan) täsmälleen vastakkaiset (ja suuruudeltaan yhtä suuret) impulssit, saimme välittömästi meille sopivan olosuhteen: alunperin valittu viitekehys osoittautuu sitten välittömästi kehykseksi, jossa järjestelmä on levossa (tämä muodollisesti tarkoittaa, että sen liikemäärä on nolla; kyllä, tämä on intuitiivisesti niin). Siksi fyysisen järjestelmämme energia, jonka laskemme, on välittömästi sen lepoenergia.
  18. ↑ Yksikköjärjestelmässämme , jotta tämä ehto voidaan ilmaista muissa (missä tahansa) yksikköjärjestelmissä, täytyy muistaa kertoa tai jakaa vaadituilla potenssilla .
  19. ↑ Periaatteessa - tietysti vain suunnilleen.

Kirjallisuus