Что же сохраняется?
Как изменился наш взгляд на закон сохранения вещества? Масса не сохраняется.
Химические элементы переходят один в другой при ядерных реакциях. Что же
сохраняется?
Когда М. В. Ломоносов и А. Лавуазье формулировали закон сохранения вещества,
они представляли себе этот закон как закон сохранения массы. Полная масса
всех составных частей в начале химической реакции равняется массе в конце
ее, какие бы реакции ни происходили. Кроме того, в химических реакциях
не изменяется количество атомов любого участвующего в реакции элемента
- атомы элементов только переходят от одной молекулы к другой.
В XX в. этот закон был существенно уточнен, так как во многих случаях
в простой форме он оказывался неправильным. Разберем нарушение этого закона
на примере превращения водорода в гелий.
Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Проследим
за реакцией образования ядра гелия. Такую реакцию можно осуществить в два
этапа. Сначала, облучая водород нейтронами, можно получить дейтрон - ядро,
состоящее из нейтрона и протона. Когда к такому ядру присоединяется электрон,
получается атом водорода, но с массой, в два раза большей массы обычного
атома. Если облучить воду, содержащую тяжелый водород (тяжелую воду), дейтронами,
то будут получаться ядра гелия. При этом выделяется громадная энергия,
которая уходит в форме у-квантов, т. е. в форме электромагнитных волн.
Откуда эта энергия берется? Ядерные частицы - нейтроны и протоны -притягиваются
друг к другу ядерными силами, которые действуют только на малых расстояниях
(приблизительно 10-13 см), зато на этих расстояниях они несравненно
больше всех других известных нам сил. Ядерное притяжение двух протонов
больше, чем их кулоновское отталкивание, в 1040 раз.
При соединении нейтрона и протона в дейтрон эти частицы ускоряются,
а всякая заряженная частица при ускорении излучает электромагнитные волны.
Итак, было два протона и два нейтрона, а получилось ядро гелия и громадная
энергия, которая выделилась в форме у-квантов. Вот тут и потерялась масса.
Масса протона равна Мр= 1,00728, а масса нейтрона Мn=
1,00867, масса ядра гелия МНе = 4,00273. Здесь выбрана
такая единица массы, при которой атомная масса изотопа углерода 12С
равна 12. Следовательно,
Если массу приписывать только нейтрону, протону и гелию, то закон сохранения
массы нарушится. Для спасения этого закона нужно приписать массу также
и у-квантам. Мы столкнулись с частным случаем общего закона природы, открытого
Эйнштейном: масса тела изменяется с изменением его энергии, в какой
бы форме эта энергия ни содержалась. Масса (М) связана с энергией
(Е) следующей формулой :
Здесь с — скорость света, поэтому и
- масса у-квантов равна:
где Еy — энергия у-квантов.
Теперь закон сохранения массы восстановился, или, лучше сказать, объединился
с законом сохранения энергии. В самом деле, если покоящемуся протону приписать
энергию Еp а нейтрону — Еп, то, умножая
формулу для равенства масс на с2, получим закон сохранения
энергии:
Заметим, что в реакции электрический заряд двух протонов как раз равен
заряду Не (нейтрон — частица, не имеющая заряда). Кроме того, число ядерных
частиц слева равно числу ядерных частиц справа. Чтобы подчеркнуть эти законы
сохранения, ядерную реакцию записы вают в виде:
Верхние значки дают число ядерных частиц, участвующих в реакции, а нижние
— электрический заряд, выраженный через заряд электрона. Сумма верхних
значков слева и справа равна так же, как и сумма нижних.
Таким образом, закон сохранения массы после того, как была установлена
связь массы с энергией, превратился в закон сохранения энергии. Что же
касается сохранения химических элементов, то этот закон совсем не соблюдается
в ядерных реакциях (водород превратился в гелий). Вместо этого закона действуют
во всех случаях два закона сохранения: закон сохранения заряда и закон
сохранения числа ядерных частиц, который называется законом сохранения
барионного заряда.
|