Підручник з Природничих наук. 1 частина. 10 клас. Гільберг - Нова програма

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

МАСА & ЕНЕРГІЯ

Якщо пригадати другий закон Ньютона, можна почати розмову про ще одну важливу фізичну величину — масу.

У спеціальній теорії відносності Ейнштейном відкрито нове співвідношення між енергією спокою та масою тіла E = mc². Воно означає, що навіть у стані спокою тіло має певну енергію, яка теж пропорційна його масі та помножена на квадрат швидкості руху світла у вакуумі.

Найважливіше полягає в тому, що ця формула розкриває можливість взаємних перетворень енергії та маси, або, що те саме, можливість перетворень енергії спокою на інші види енергії.

Взаємне перетворення маси та енергії, яке описує формула Ейнштейна, лежить в основі величезного розмаїття процесів у природі та техніці. Так, маса тіла зростає й тоді, коли його в той або інший спосіб нагрівають: до маси тіла додається масовий еквівалент теплової енергії (енергія, поділена на квадрат швидкості світла). Тож, наприклад, маса гарячої праски більша за масу холодної. Зауважимо, що в звичних для нас умовах ці зміни практично не можна відчути. Взаємозв’язок маси та енергії набуває суттєвого значення в мікросвіті, коли частинки рухаються зі швидкістю, що наближається за значенням до швидкості світла у вакуумі.

Найбільше вражає такий приклад — перетворення маси в енергію під час ядерних реакцій. Про це вперше заговорили через два десятиліття після створення Ейнштейном теорії відносності, а практично втілили в ядерній зброї та енергетиці.

Тепер усім відомо, що зорі світять за рахунок ядерних реакцій; у надрах Сонця відбувається ядерна реакція синтезу атомів Гелію з атомів Гідрогену. Енергія виділяється й у ядерних реакціях розпаду, — наприклад, розпаду атомів Урану внаслідок поглинання повільних нейтронів. У всіх випадках виділення енергії пояснюють тим, що маса продуктів ядерної реакції менша від початкової маси частинок, що вступили в реакцію. Різниця мас перетворюється на кінетичну енергію продуктів реакції.

Граничний випадок перетворення маси та енергії — повний перехід усієї маси в енергію. Це можливо, якщо частинка стикається з античастинкою, — наприклад, електрон з позитроном. Частинка й античастинка внаслідок цього зникають (анігілюють) і породжують фотони. Оскільки фотон — це частика, що не має маси, сумарна маса частинки й античастинки цілком переходить у кінетичну енергію фотонів. Це реальний фізичний процес, давно вже вивчений не тільки теоретично, а й експериментально, що особливо важливо. У таких експериментах формулу Ейнштейна перевірено та підтверджено з усією можливою точністю.

Відкриття ядерних джерел енергії нерідко порівнюють з підкоренням вогню печерною людиною. Згідно з археологічними даними, добувати вогонь навчилися в епоху пізнього палеоліту, і це досягнення, як уважають, остаточно відокремило людину від тваринного царства. Зоряне небо та вогонь — це те, що здавна бентежило людину, займало її уяву й розум. Світло зір і світло вогню мають одну природу — це результат перетворення маси в енергію. Про зорі ми вже згадували, докладніше про них поговоримо згодом. А що нам відомо про вогонь?

Фізичну суть вогню насправді розкрила лише теорія відносності. Вогонь — результат хімічної реакції горіння. Як і в ядерній реакції, під час горіння сума мас продуктів реакції менша від початкової маси пального й окиснювача (останнім найчастіше є кисень повітря). Різниця початкової й кінцевої мас перетворюється в кінетичну (теплову) енергію продуктів реакції. Продукти реакції й розпечені ними до високих температур макроскопічні частинки вуглецю утворюють полум’я внаслідок випромінювання видимого оком світла.

В енергію вогню переходить лише дуже мала частка маси пального й кисню. Річ у тім, що в хімічних реакціях беруть участь не ядра, а атоми, молекули, йони. Різниця маси в молекул набагато менша, ніж у ядер. Після об’єднання атомів у молекулу або перетворення одних молекул на інші виявлено зміну маси в десятки та сотні мільйонів разів меншу, ніж у ядерних реакціях. Наприклад, під час горіння метану в газовому пальнику перетворюється в тепло лише одна десятимільярдна частка маси спокою газу. Коли в топці спалюють тонну вугілля, в енергію переходить близько однієї тритисячної частки вугілля й використаного для горіння кисню загальною масою 1 грам. У вогні хімічних реакцій відбувається те саме ейнштейнівське перетворення маси в енергію. Отже, ви надзвичайно легко можете пересвідчитися в перетворенні маси в енергію, запаливши сірник.

Якби не було цього взаємозв’язку маси та енергії, сучасна цивілізація була б неможливою. Однак і це ще не все. Саме життя на Землі немислиме без перетворення маси в енергію. Цей процес відбувається в нас самих, коли ми просто дихаємо. Під час дихання в організм надходить кисень повітря, який організм використовує для безперервного окиснення органічних речовин (сполук Карбону). У результаті цього «внутрішнього горіння» виділяється енергія. Усі теплокровні тварини виробляють тепло в таких хімічних реакціях і черпають з них енергію для повсякденної активності.

Повернімося насамкінець до фундаментальної фізики. Властивість маси перетворюватися в енергію (і навпаки) не була відома в часи ньютонівської класичної фізики. Цей грандіозний резервуар енергії в природі відкрила теорія відносності.

Коли ми досліджували питання елементарних частинок, то не запитували, які процеси відбуваються всередині протона та поміж нуклонами під дією ядерних сил. Звідки ж виникає маса в елементарних частинок — складників тіл природи? Чому їхні маси такі різні? Наприклад, вільний електрон приблизно у дві тисячі разів легший за вільний протон. На ці запитання немає однозначної відповіді. Проблему фізичної природи маси ще далеко не вичерпано. Від часів Ньютона вона була й залишається чи не найгострішою. (Нагадуємо, що масу тіла розглядають і як інерціальну, і як гравітаційну його властивість.)

У фізиці елементарних частинок є гіпотеза, що елементарні частинки набувають маси завдяки взаємодії з деякою особливою елементарною частинкою — бозоном Гіґґса (Пітер Гіґґс, 1929—2018, Велика Британія). Перевірці цієї ідеї присвячено низку експериментів на Великому адронному колайдері в Європейському центрі ядерних досліджень (ЦЕРН).

ПОДУМАЙТЕ Й ВІДПОВІДАЙТЕ

1. Проаналізуйте: а) білий вірш, складений видатним фізиком Річардом Фейманом (1918—1988, США); б) уривок із драми-феєрії Лесі Українки «Лісова пісня» — і поясніть їх з огляду на опрацьований матеріал блоку «Закони природи»:

а) Наприклад, я стою один на березі моря й починаю думати.

На берег набігає безліч хвиль,

Незліченна кількість молекул,

Кожна з яких бездумно зайнята своєю справою;

І таких молекул трильйони, вони відокремлені одна від одної,

Однак при цьому рухаються в унісон й утворюють білі баранці хвиль.

Зі століття в століття,

Коли ще не було очей, які могли це побачити,

З року в рік

Ці хвилі билися о берег так само, як і зараз.

Для кого? Для чого?

На мертвій планеті,

Де не було життя,

Без спочинку,

Змучені енергією,

Яку непомірно витрачає сонце,

Що проливає її в космічний простір.

Щось зовсім крихітне змушує море ревіти.

Глибоко в морі

Всі молекули повторюють

Візерунки одна одної,

Поки не утворяться нові й складніші молекули.

Вони створюють інші молекули, подібні до себе,

І починається новий танець.

Збільшуються за розміром та складністю.

Живі істоти,

Маси атомів,

ДНК, білок

Танцюють ще складніший танець.

І ось з колиски,

На суху землю

Ступають

Атоми, що мають свідомість;

Матерія, наділена цікавістю.

Стою на березі,

Дивуюся дивовижному: я,

Всесвіт атомів,

Атом у Всесвіті.

б) О, не журися за тіло!

Ясним вогнем засвітилось воно,

чистим, палючим, як добре вино,

вільними іскрами вгору злетіло.

Легкий, пухкий попілець

ляже, вернувшися, в рідну землицю,

вкупі з водою там зростить вербицю, —

стане початком тоді мій кінець.

Будуть приходити люди,

вбогі й багаті, веселі й сумні,

радощі й тугу нестимуть мені,

їм промовляти душа моя буде.

Я обізвуся до них

шелестом тихим вербової гілки,

голосом ніжним тонкої сопілки,

смутними росами з бітів моїх.

2. У науково-популярній книжці «Історія свічки» її автор Майкл Фарадей стверджував: «Явища, які спостерігають під час горіння свічки, такі, що немає жодного закону природи, — якого б це так чи інакше не стосувалося». Наведіть якомога більше аргументів, які доводять слушність думки видатного фізика.

3. У наукових текстах трапляється твердження: «Простір і час — форми існування матерії». Як би ви це пояснили?

4. Чим відрізняються поняття «тривалість події» та «послідовність події»?

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

ПРАКТИЧНІ РОБОТИ

Демон Максвелла (розроблення та випробовування моделі).

Щоб підкреслити статистичну природу другого закону термодинаміки Джеймс Максвелл у 1867 р. запропонував уявний експеримент, який ілюстрував удаваний парадокс другого закону термодинаміки. Його головний персонаж — гіпотетична розумна істота мікроскопічного розміру (названа «демоном Максвелла»).

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

Уявімо посудину, заповнену газом певної температури. Посудину розділяє перегородка із заслінкою, яку «демон» відкриває, щоб пропускати швидкі частинки в один бік, а повільні — в інший. Отже, через деякий час, в одній частині посудини сконцентруються швидкі частинки, а в іншій — повільні. Так, усупереч другому закону термодинаміки, «демон Максвелла» дає змогу нагріти праву частину посудини й охолодити ліву. Але для такого функціонування «демона Максвелла» якраз і необхідне передавання йому енергії від стороннього джерела. За рахунок цієї енергії й відбувається поділ гарячих і холодних молекул у посудині, тобто перехід у стан з меншою ентропією.