Lov om bevarelse af masse

Loven om bevarelse af masse  er fysikkens lov , ifølge hvilken massen af ​​et fysisk system bevares i alle naturlige og kunstige processer.

I sin metafysiske form, ifølge hvilken stof er uskabt og uforgængelig, har denne lov været kendt siden oldtiden. Senere dukkede en kvantitativ formulering op, ifølge hvilken målet for mængden af ​​et stof er vægt (fra slutningen af ​​det 17. århundrede - masse).

Fra et synspunkt af klassisk mekanik og kemi er den samlede masse af et lukket fysisk system bevaret, hvilket er lig med summen af ​​masserne af komponenterne i dette system (det vil sige, at massen betragtes som additiv ). Denne lov er sand med stor nøjagtighed inden for anvendeligheden af ​​newtonsk mekanik og kemi, da de relativistiske korrektioner i disse tilfælde er ubetydelige.

I moderne fysik er begrebet og egenskaberne af masse blevet væsentligt revideret. Masse er ikke længere et mål for mængden af ​​stof , og loven om bevarelse af masse er tæt forbundet med loven om bevarelse af den indre energi i et system. I modsætning til den klassiske model er massen af ​​kun et isoleret fysisk system bevaret , det vil sige i fravær af energiudveksling med det ydre miljø. Summen af ​​massen af ​​systemkomponenterne bevares ikke (massen er ikke-additiv). For eksempel ved radioaktivt henfald i et isoleret system bestående af stof og stråling falder den samlede masse af stof, men systemets masse bevares, på trods af at massen af ​​stråling kan være nul.

Historisk disposition

Loven om bevarelse af masse er historisk set blevet forstået som en af ​​formuleringerne af loven om bevarelse af stof . En af de første til at formulere det var den antikke græske filosof Empedocles ( V århundrede f.Kr. ) [1] :

Intet kan komme af ingenting, og intet, der eksisterer, kan ødelægges.

Tidligere blev Empedokles "bevaringsprincip" brugt af repræsentanter for Miletus-skolen til at formulere teoretiske ideer om det primære stof, grundlaget for alt, hvad der eksisterer [2] . Senere blev en lignende tese udtrykt af Democritus , Aristoteles og Epicurus (som genfortalt af Lucretius Cara ).

Middelalderforskere udtrykte heller ingen tvivl om denne lovs sandhed. Francis Bacon i 1620 proklamerede: "Summen af ​​stof forbliver altid konstant og kan ikke øges eller formindskes ... ikke en eneste mindste del af den kan enten overvindes af hele verdens masse eller ødelægges af den kombinerede kraft af alle agenter, ej heller generelt ødelagt på nogen måde” [3] .

Under udviklingen af ​​alkymi , og derefter videnskabelig kemi , blev det bemærket, at med enhver kemisk transformation ændres den samlede vægt af reagenserne ikke. I 1630 skrev Jean Ré , en kemiker fra Périgord , til Mersenne [4] [5] [6] :

Vægten er så tæt knyttet til grundstoffernes substans, at de, når de skifter fra det ene til det andet, altid bevarer den samme vægt.

Originaltekst  (fr.)[ Visskjule] 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.

Med tilstedeværelsen i Newtons værker af begrebet masse som et mål for mængden af ​​stof , blev formuleringen af ​​loven om bevaring af stof tydeliggjort: masse er en invariant , det vil sige, i alle processer falder den samlede masse ikke eller stigning (vægt, som Newton påpegede, er ikke en invariant, da Jordens form er langt fra den ideelle sfære).

I 1673 satte Robert Boyles eksperimenter spørgsmålstegn ved loven om bevarelse af masse - under en kemisk reaktion med opvarmning steg vægten af ​​et stof. Boyle konkluderede heraf, at varmebæreren (" phlogiston ", i datidens terminologi) havde en negativ masse; denne hypotese genoprettede tilliden til bevarelsen af ​​massen. Men umiddelbart efter Boyles udgivelse påpegede den franske kemiker Cherubin d'Orleans ( Chérubin d'Orleans , 1679) Boyles fejl: Vægtforøgelsen skyldtes luft, og i et forseglet kar forblev vægten uændret [7] . Senere, i 1755, skrev M.V. Lomonosov om dette i et brev til L. Euler (se teksten i Wikisource ):

Alle forandringer, der sker i naturen, sker på den måde, at hvis noget føjes til noget, så tages det fra noget andet. Der tilføres således lige så meget stof til en krop, lige så meget går tabt fra en anden, lige så mange timer bruger jeg på at sove, lige så mange timer tager jeg fra at være vågen osv.

I USSR, på grundlag af denne sætning, blev M.V. Lomonosov erklæret forfatteren af ​​loven om bevarelse af masse, selvom han aldrig hævdede en sådan prioritet og ikke nævner denne lov i sin "Review of the Most Important Discoveries". Moderne historikere anser sådanne påstande for ubegrundede [8] [9] [10] . Det er også fejlagtigt, at loven om bevarelse af massen blev bevist eksperimentelt af Lomonosov [11] ;

Den universelle lov blev formuleret af Lomonosov på grundlag af generelle filosofiske materialistiske betragtninger, blev aldrig stillet spørgsmålstegn ved eller verificeret af dem, men tværtimod tjente ham som et fast udgangspunkt i alle studier gennem hele hans liv.

I fremtiden, indtil skabelsen af ​​mikrokosmos fysik, blev loven om bevarelse af masse betragtet som sand og indlysende. Immanuel Kant erklærede denne lov for et naturvidenskabens postulat [12] (1786). Lavoisier gav i "Elementary Textbook of Chemistry" (1789) en nøjagtig kvantitativ formulering af loven om bevarelse af stofmassen, men erklærede den ikke for at være en ny og vigtig lov, men nævnte den blot i forbifarten som en lang -kendt og pålideligt etableret faktum. For kemiske reaktioner formulerede Lavoisier loven i følgende udtryk [13] :

Der sker ikke noget hverken i kunstige processer eller i naturlige processer, og det kan konstateres, at der i enhver operation [kemisk reaktion] er den samme mængde stof før og efter, at kvaliteten og mængden af ​​begyndelsen er forblevet den samme, kun forskydninger, er der sket omlægninger. Hele kunsten at lave eksperimenter i kemi er baseret på dette forslag.

Med andre ord er massen af ​​et lukket fysisk system bevaret , hvor der sker en kemisk reaktion, og summen af ​​masserne af alle stoffer, der er indgået i denne reaktion, er lig med summen af ​​masserne af alle reaktionsprodukter (det er, den er også bevaret). Masse betragtes således som additiv.

Nuværende tilstand

I det 20. århundrede blev to nye egenskaber for masse opdaget.

( M1 ) Massen af ​​et fysisk objekt afhænger af dets indre energi (se masse-energi-ækvivalens ). Når ekstern energi absorberes, øges massen, når den går tabt, falder den. Det følger heraf, at masse kun bevares i et isoleret system , det vil sige i fravær af energiudveksling med det ydre miljø. Særligt bemærkelsesværdig er ændringen i masse under kernereaktioner . Men selv i kemiske reaktioner, der er ledsaget af frigivelse (eller absorption) af varme, bevares massen ikke, selvom massedefekten i dette tilfælde er ubetydelig. Akademiker L. B. Okun skriver [14] :

For at understrege, at en krops masse altid ændrer sig, når dens indre energi ændres, kan du overveje to almindelige eksempler:

1) når et jernjern opvarmes med 200°, øges dets masse med ; 2) med fuldstændig omdannelse af en vis mængde is til vand .

( M2 ) Masse er ikke en additiv størrelse: massen af ​​et system er ikke lig med summen af ​​masserne af dets komponenter. Eksempler på ikke-additivitet:

Under fysiske processer, der er ledsaget af henfald eller syntese af fysiske strukturer, bevares summen af ​​masserne af systemets bestanddele (komponenter) således ikke, men den samlede masse af dette (isolerede) system bevares:

Ovenstående betyder, at i moderne fysik er loven om bevarelse af masse tæt forbundet med loven om bevarelse af energi og udføres med samme begrænsning - det er nødvendigt at tage hensyn til udvekslingen af ​​energi mellem systemet og miljøet.

Præ-relativistisk fysik kendte to grundlæggende bevarelseslove, nemlig: loven om energiens bevarelse og loven om massens bevarelse; begge disse grundlæggende love blev anset for at være fuldstændig uafhængige af hinanden. Relativitetsteorien har slået dem sammen til én [15] .

Flere detaljer

For mere detaljeret at forklare, hvorfor massen i moderne fysik viser sig at være ikke-additiv [16] (systemets masse er generelt set ikke lig med summen af ​​komponenternes masser), bør den først bemærkes, at udtrykket masse i moderne fysik betyder en Lorentz-invariant størrelse :

hvor  er energien ,  er momentum ,  er lysets hastighed . Og vi bemærker straks, at dette udtryk er lige så let anvendeligt på en punktstrukturløs ("elementær") partikel og til ethvert fysisk system, og i sidstnævnte tilfælde beregnes systemets energi og momentum blot ved at summere energierne og momenta af systemkomponenterne (energi og momentum er additive) .

Derudover bemærker vi, at det  er en universel konstant, det vil sige bare et tal, der aldrig ændres, derfor kan du i princippet vælge et sådant system af enheder, der er opfyldt , og så vil den nævnte formel være mindre rodet:

samt andre formler relateret til det (og for kortheds skyld vil vi bruge netop sådan et system af enheder nedenfor).

Efter at have overvejet det mest paradoksale tilfælde af krænkelse af masseadditivitet - tilfældet, når et system med flere (for nemheds skyld begrænser vi os til to) masseløse partikler (for eksempel fotoner) kan have en masse, der ikke er nul, er det let at se mekanismen der genererer massenonadditivitet.

Lad der være to fotoner 1 og 2 med modsat momenta :. Massen af ​​hver foton er nul, så vi kan skrive:

det vil sige, at energien af ​​hver foton er lig med modulet af dens momentum. Vi bemærker i forbifarten, at massen er lig med nul på grund af subtraktionen under tegnet af roden af ​​ikke-nul værdier fra hinanden.

Overvej nu systemet af disse to fotoner som en helhed, tæl dets momentum og energi. Som du kan se, er dette systems momentum lig med nul (fotonmomentet, efter at være lagt sammen, blev ødelagt, da disse fotoner flyver i modsatte retninger) [17] :

.

Energien i vores fysiske system vil simpelthen være summen af ​​energierne fra den første og anden foton:

Nå, her er systemets masse:

(impulserne blev ødelagt, og energierne blev dannet – de kan ikke være af forskellige fortegn).

I det generelle tilfælde sker alt på samme måde som dette, det mest distinkte og enkle eksempel. Generelt set behøver de partikler, der danner systemet, ikke at have nul masser, det er nok, at masserne er små eller i det mindste sammenlignelige med energierne eller momenta [18] , og effekten vil være stor eller mærkbar. Det ses også, at der praktisk talt aldrig er en nøjagtig additivitet af massen, undtagen i ret specielle tilfælde.

Masse og inerti

Massens mangel på additivitet synes at skabe vanskeligheder. Men de forløses ikke kun af det faktum, at massen defineret på denne måde (og ikke ellers, for eksempel ikke som energi divideret med kvadratet af lysets hastighed) viser sig at være en Lorentz-invariant, bekvem og formelt smuk mængde, men har også en fysisk betydning, der nøjagtigt svarer til den sædvanlige klassiske forståelse af masse som et mål for inerti.

Nemlig for det fysiske systems hvilereferenceramme (det vil sige referencerammen, hvor det fysiske systems momentum er nul) eller referencerammer, hvor hvilerammen bevæger sig langsomt (sammenlignet med lysets hastighed), er definitionen af masse nævnt ovenfor

- svarer fuldt ud til den klassiske Newtonske masse (inkluderet i Newtons anden lov ).

Dette kan konkret illustreres ved at betragte et system, der på ydersiden (til eksterne interaktioner) er et almindeligt fast legeme, men indeni indeholder hurtigt bevægelige partikler. For eksempel ved at overveje en spejlboks med perfekt reflekterende vægge, indeni hvilke er fotoner (elektromagnetiske bølger).

Lad for enkelhedens skyld og større klarhed af effekten, selve boksen er (næsten) vægtløs. Så hvis, som i eksemplet i afsnittet ovenfor, det samlede momentum af fotoner inde i boksen er nul, så vil boksen generelt være stationær. Samtidig skal det under påvirkning af ydre kræfter (for eksempel hvis vi begynder at skubbe det) opføre sig som et legeme med en masse svarende til den samlede fotonenergi indeni, divideret med .

Lad os overveje det kvalitativt. Lad os skubbe kassen, og på grund af dette har den fået lidt fart til højre. For nemheds skyld vil vi nu kun tale om elektromagnetiske bølger, der løber strengt til højre og til venstre. En elektromagnetisk bølge reflekteret fra venstre væg vil øge dens frekvens (på grund af Doppler-effekten ) og energi. Bølgen, der reflekteres fra den højre væg, vil tværtimod reducere dens frekvens og energi ved refleksion, men den samlede energi vil stige, da der ikke vil være nogen fuldstændig kompensation. Som et resultat vil kroppen erhverve en kinetisk energi svarende til (hvis ), hvilket betyder, at kassen opfører sig som et klassisk masselegeme . Det samme resultat kan opnås (og endnu lettere) for refleksionen (spring) fra væggene af hurtige relativistiske diskrete partikler (også for ikke-relativistiske, men i dette tilfælde vil massen blot vise sig [19] at være summen af masser af partiklerne i kassen).

Noter

  1. ↑ Pr. E. Radlova (se f.eks. her ).
  2. ↑ Encyclopedia Around the World . Hentet 16. august 2012. Arkiveret fra originalen 2. maj 2014.
  3. ↑ F. Bacon , Works, bind 2, Thought, 1978, s. 341-342,
  4. ↑ Jean Rey , Essais sur la recherche de la cause pour laquelle l'étain et le plomb augmentent de poids quand on les calcine, nouvelle édition revue sur l'exemplaire original et augmentée sur les manuscrits de la Bibliothèque du Roi et des Minimes de Paris , avec des notes Arkiveret 28. august 2016 på Wayback Machine , par M. Gobet, Paris, Ruault, 1777, s. 21.
  5. ↑ Van Praagh, Gordon. Fysisk kemi, eksperimentel og teoretisk: En indledende lærebog . - Cambridge University Press, 1950. - S. 63. - 295 s.
  6. ↑ Brev fra Jean Re . Hentet 19. marts 2008. Arkiveret fra originalen 19. august 2016.
  7. ↑ Fysikkens verdenshistorie, 2007 , s. 321-322..
  8. ↑ Shubinsky V. I. Lomonosov: All-russisk mand . - M . : Ung Garde, 2010. - S.  346 -351 .. - 471 s. - ( De vidunderlige menneskers liv ). - ISBN 978-5-235-03323-8 .
  9. ↑ Sonin A. S. Flere episoder af kampen mod "kosmopolitisme" i fysik. Arkiveret den 23. februar 2008 på Wayback Machine Bulletin for Academy of Sciences of the USSR, nr. 8 (1990), s. 122-133.
  10. ↑ Dmitriev I.S. "Begavet med det lykkeligste vid" (Kemiske værker af M.V. Lomonosov i forbindelse med europæisk videnskab om oplysningstiden) . Hentet 19. april 2018. Arkiveret fra originalen 14. december 2017.
  11. ↑ Dorfman Ya. G. Loven om bevarelse af masse i kemiske reaktioner og de fysiske synspunkter om Lomonosov  // Lomonosov M.V. Indsamling af artikler og materialer. - M. - L .: Forlag for USSR Academy of Sciences, 1961. - T. 5 . - S. 182-193 .
  12. ↑ I. Kant. Metafysiske principper for naturvidenskab. Værker, bind VI, s. 148.
  13. ↑ Lavoisier. . Dato for adgang: 8. august 2011. Arkiveret fra originalen 7. januar 2012.
  14. ↑ Massebegrebet, 1989 , s. 519.
  15. ↑ 1917 Einstein A. Samling af videnskabelige artikler. Bind 1. side 553.
  16. ↑ Det kan selvfølgelig være tilnærmelsesvis additivt - i tilnærmelsen af ​​ikke-relativistisk mekanik, men så snart der er bevægelser i systemet med hastigheder, der kan sammenlignes med lysets hastighed, er massens additivitet som regel krænkes ganske mærkbart eller endda kraftigt.
  17. ↑ Efter at have valgt (efter betingelse) præcis de modsatte (og lige store) impulser, opnåede vi straks en omstændighed, der var passende for os: den oprindeligt valgte referenceramme viser sig så straks at være den ramme, hvori systemet er i hvile (dette formelt betyder, at dens momentum er nul; ja, det er intuitivt sådan). Derfor vil energien i vores fysiske system, som vi beregner, umiddelbart være dets hvileenergi.
  18. ↑ I vores enhedssystem skal man huske at gange eller dividere med de nødvendige potenser for at udtrykke denne tilstand i andre (enhvert som helst) enhedssystemer .
  19. ↑ I princippet - selvfølgelig kun ca.

Litteratur