Преобразование массы в энергию в химических/ядерных реакциях

На самом деле это более сложный вопрос, чем вы думаете, потому что различие между массой и энергией как бы исчезает, как только вы начинаете говорить о малых частицах.

Так что же такое масса? Есть два общих определения:

1. Величина, определяющая сопротивление объекта изменению движения, т.$m$в$\sum F = ma$
2. Величина, определяющая реакцию объекта на гравитационное поле,$m$в$F_g = mg$(или, что то же самое, в$F_g = GMm/r^2$)

Дело в том, что энергия на самом деле удовлетворяет обоим этим определениям. Объект с большей энергией — любой формы — будет сложнее разогнать, а также он будет сильнее реагировать на заданное гравитационное поле. Итак , технически , при вычислении значения$m$подключиться к$\sum F = ma$или же$F_g = mg$или любую другую формулу, которая включает в себя массу, вы должны принять во внимание химическую потенциальную энергию, тепловую энергию, гравитационную энергию связи и многие другие формы энергии. В этом смысле получается, что «масса», о которой мы говорим в химических и ядерных реакциях, на самом деле просто слово для полной энергии объекта (хорошо, деленная на постоянный множитель:$m_\text{eff} = E/c^2$).

В специальной теории относительности, физике элементарных частиц и квантовой теории поля масса имеет совершенно другое определение. Впрочем, это здесь не актуально.

Если масса — это просто другое слово для обозначения энергии, то почему мы вообще о ней говорим? Ну, во-первых, люди привыкли к слову "масса" раньше, чем кто-либо узнал о всех его тонкостях ;-) А если серьезно: если вы действительно посмотрите на все различные формы энергии, которые существуют, вы обнаружите, что выясняя определить, сколько энергии на самом деле имеет объект, может быть очень сложно. Например, рассмотрим химическое соединение -$\mathrm{CO}_2$Например. Вы не можете просто вычислить энергию$\mathrm{CO}_2$молекула путем сложения энергий одного атома углерода и двух атомов кислорода; вы также должны принять во внимание энергию, необходимую для создания химической связи, любую тепловую энергию, запасенную в колебательных модах молекулы или ядерных возбуждениях атомов, и даже небольшие корректировки молекулярной структуры из-за окружающей среды.

Однако для большинства приложений вы можете спокойно игнорировать все эти дополнительные энергетические вклады, потому что они чрезвычайно малы по сравнению с энергиями атомов. Например, энергия химических связей в углекислом газе составляет одну десятимиллиардную часть полной энергии молекулы. Даже если добавление энергий атомов не совсем дает вам точную энергию молекулы, она часто достаточно близка. Когда мы используем термин «масса», это часто означает, что мы работаем в области, где эти небольшие энергетические поправки не имеют значения, поэтому сложение масс частей достаточно близко к массе целого.

Очевидно, имеют ли значение «дополнительные» энергии или нет, зависит от того, с каким процессом вы имеете дело, и, в частности, от того, какие энергии на самом деле затронуты этим процессом. В химических реакциях действительно происходят единственные изменения энергии, связанные с разрывом и образованием химических связей, которые, как я уже сказал, вносят незначительный вклад в общую энергию вовлеченных частиц. Но с другой стороны, представьте себе ускоритель частиц вроде БАК, в котором протоны сталкиваются друг с другом. При этом хромодинамические «связи» между кварками внутри протонов разрываются, и затем кварки рекомбинируют, образуя разные частицы. В некотором смысле это похоже на химическую реакцию, в которой кварки играют роль атомов, а протоны (и другие частицы) — соединения,половина энергии всей системы (протонов) — другими словами, около половины того, что мы обычно считаем «массой» протона, на самом деле происходит от взаимодействия между кварками, а не от самих кварков. Поэтому, когда протоны «вступают в реакцию» друг с другом, можно определенно сказать, что масса (протона) была преобразована в энергию, хотя, если присмотреться, эта «масса» на самом деле не была массой.

Ядерные реакции находятся где-то посередине между двумя крайностями — химическими реакциями и реакциями элементарных частиц. В атомном ядре энергия связи составляет от 0,1% до примерно 1% полной энергии ядра. Это намного меньше, чем с цветовой силой в протоне, но все же достаточно, чтобы ее нужно было учитывать как вклад в массу ядра. Вот почему мы говорим, что масса превращается в энергию в ядерных реакциях: «масса», которая преобразуется, на самом деле представляет собой просто энергию связи, но этой энергии достаточно, чтобы, когда вы смотрите на ядро ​​как на частицу, вам нужно учитывать в энергии связи, чтобы получить нужную массу. Это не относится к химическим реакциям; мы можем просто игнорировать энергию связи при расчете масс,

Потенциальная энергия химических связей соответствует увеличению массы пропорционально этой энергии .

Так, например, энергия в$\mathrm{C-O}$облигация$110\,\rm \frac{kcal}{mol}$, или около$7.6\times 10^{-19}\,\rm \frac{J}{bond}$. Деление на$c^2$дает нам массу около$8.5\times 10^{-33}\rm\,g$. В кроте$\mathrm{CO_2}$, что составляет$5.1\times 10^{-9}\,\rm g$. Так как моль$\mathrm{CO_2}$имеет массу около$44\,\rm g$, вам будет трудно измерить разницу масс.

Теоретически даже химические реакции превращают массу в энергию или наоборот. Но количество преобразованной массы настолько мало, что мы, как правило, не в состоянии его обнаружить.

Во-первых, вы должны понять, что есть два определения массы: масса покоя и подвижная масса. Масса покоя — это масса, измеренная в системе отсчета, в которой объект неподвижен. Подвижная масса$m_1=\frac{m_0}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}$. Старая школа называет движущуюся массу массой, а новая школа называет массу покоя.

Масса покоя не является аддитивной. Масса покоя молекулы — это не сумма ее атомов, а сумма плюс энергия связи, деленная на$c^2$. Поэтому в химической реакции, хотя количество атомов (или электронов, протонов, нейтронов) сохраняется, масса покоя не сохраняется, так как изменяется энергия связи. И это можно назвать превращением массы в энергию. В

Однако движущаяся масса — это просто другое название энергии, и поэтому она всегда сохраняется. При горении энергия молекулярной связи преобразуется в дополнительную кинетическую энергию$\mathrm{CO_2}$молекул, поэтому масса (или энергия) сохраняется. В ядерной реакции электромагнитная и сильная потенциальная энергия между нуклонами преобразуются в кинетическую энергию новых ядер и (иногда) летящих нейтронов. Иногда новые ядра находятся в возбужденном состоянии и вскоре будут испускать гамма-излучение, которое в основном представляет собой фотоны высокой энергии с нулевой массой покоя, но ненулевой движущейся массой.

Во многих старых школьных книгах, которые я читал, используются двойные стандарты. Когда они относятся к массе в общем, они имеют в виду движущуюся массу, которая увеличивается со скоростью; но когда они относятся к массе в ядерной реакции, они имеют в виду массу покоя. Я думаю, вы так запутались.

Химические реакции любого рода ---> Нет конверсии. Вся масса (и энергия) сохраняется.

Ядерные реакции ---> Да, масса преобразуется в энергию как в реакциях деления, так и в реакциях синтеза.

Какая масса? Что ж, следуя инструкциям в колледже, я бы сказал, что нейтрон теряется (превращается в энергию). Но беглый просмотр интернета показывает мне, что то, чему я научился в колледже, теперь считается бабьими сказками. Новый ответ, хотя явно не то, что я узнал, не поддается моим попыткам понять, не говоря уже о том, чтобы сжать его в удобный для вас формат для чтения. Может быть, кто-то еще попробует.