Что происходит с веществом, когда оно превращается в энергию?

Согласно уравнению Эйнштейна $$E=mc^2$$ Материя может быть преобразована в Энергию. Примером этого является ядерная реакция. Что происходит с материей в процессе? Атомы/субатомные частицы просто исчезают? Любое понимание этого процесса приветствуется.

• ядерная физика
• законы сохранения
• масса-энергия

Цитировать
Следовать
Анируддха Деб
спросил 15 янв. 2020 г. в 3:41
Анируддха Деб Анируддха Деб
539 1 1 золотой знак 5 5 серебряных знаков 8 8 бронзовых знаков
$endgroup$

$begingroup$ Энергия всегда сохраняется. Энергия покоя может быть преобразована в другие виды энергии. Вы провели много исследований по этому поводу? $endgroup$

— пользователь 234190
15 января 2020 г., 4:47

$begingroup$ Если масса преобразуется в энергию, это могут быть либо фотоны, либо кинетическая энергия другой массы, которая также является теплом. $endgroup$

15 января 2020 г., 4:53

$begingroup$ Уравнение делает нет говорят, что материя может быть преобразована в энергию. Я даже не говорю, что массу можно преобразовать в энергию. Это говорит о том, что масса и энергия — одно и то же. Энергия имеет инерцию. Чтобы разогнать тело в тепле, требуется несколько большая сила, чем в холодном. $endgroup$

15 января 2020 г., 20:06
$begingroup$ Когда материя превращается в энергию, она превращается в энергию. $endgroup$
16 января 2020 г., 4:09

$begingroup$ Я думаю, что это хороший вопрос: ОП задается вопросом, что происходит с реальными фундаментальными частицами, когда масса преобразуется в энергию. $endgroup$

16 января 2020 г., 7:03

6 ответов 6

Сортировано по: Сбросить по умолчанию
$begingroup$

Большая часть массы представляет собой просто энергию связи, поэтому в химической реакции электроны перестраиваются, энергия высвобождается, а общая масса молекул уменьшается (например, в экзотермической реакции).

То же самое верно и для обычных ядерных реакций, таких как спонтанное деление урана, с той оговоркой, что некоторые важные ядерные реакции включают изменение элементарных частиц, например, бета-распад:

$$ n rightarrow p + e^- + barnu_e $$

Здесь масса правой части меньше массы левой, поэтому электрон и антинейтрино энергичны (в системе покоя нейтрона). Энергия возникает из-за разницы в массах нейтрона (936,6 МэВ) и протона (938,3 МэВ), что составляет около 1,3 МэВ.

То, что 1,3 МэВ — это не энергия связи, а разница масс кварков, происходящая из:

$$ d rightarrow u + e^- + barnu_e $$

где масса верхнего (нижнего) кварка составляет $2,3pm 0,7pm 0,5$ МэВ ($4,8pm 0,5pm 0,3$ МэВ). Обратите внимание, что большая часть массы нуклона снова представляет собой энергию связи.

Так что же происходит с массой, когда низ превращается в верх? Ничего такого. Масса — это не вещество, масса — это квадратичная связь с бозоном Хиггса, которая оставляет конечную энергию при нулевом импульсе:

или, другими словами, волны свободных частиц (делите на $hbar$ ):

это просто конечная конечная частота при нулевом волновом числе.

Как получается, что материя — это не вещество, а просто кванты в квантовом поле? Хотя нас обычно устраивает, что фотон является квантом электромагнитного поля, который может появляться и исчезать по желанию (при условии, по крайней мере, сохранения энергии и импульса), это происходит потому, что мы рассматриваем электромагнитное поле как фундаментальный объект. Более того, фотон является собственной античастицей и нейтрален, поэтому сохранение заряда и другие квантовые числа не всегда приходят на ум. Они также являются бозонами, поэтому мы не думаем о них как о «веществе», потому что они могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

Что ж, поле кварков также является фундаментальным, и его квантами являются верхние и нижние кварки (и другие), а в случае бета-распада бозон $W$ меняет аромат кварка (и заряд, и другие квантовые числа) так, что в состоянии покоя начальные кванты ($d$) имеют более сильную связь с бозоном Хиггса, чем конечные кванты ($u$), которые мы видим как большую массу в начальном состоянии и, следовательно, большую кинетическую энергию в конечном состоянии.

Конечно, вы все еще можете рассматривать кварки как «вещество» и рассматривать взаимодействие Хиггса как своего рода энергию связи, ведущую к массе. Все нормально.

Итак, давайте посмотрим на электрон-позитронную аннигиляцию:

$$ e^+ + e^- rightarrow 2gamma $$

Здесь материя (2 лептона) просто исчезает и превращается в 2 гамма-кванта. Начальное состояние действительно действует как вещество: это фермионы, они не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, у них есть масса, у них есть заряд и так далее. Достаточное количество электронов образует молнию: это вполне реально.

Но и электрон, и позитрон являются квантами в электронном поле. Вот и все. У них противоположный заряд и лептонное число (электронное число), поэтому они могут аннигилировать, не нарушая никаких законов сохранения. Масса начального состояния — это просто энергия при нулевом импульсе, она не является чем-то более «реальным» или фундаментальным, чем само поле электрона. Оставшаяся энергия теперь доступна для гамма-лучей с энергией 511 кэВ, что составляет всего 2 кванта в электромагнитном поле (и именно заряд связывает два поля).

Итак, вкратце: вся материя состоит из квантов в квантовых полях, а поля — это фундаментальные объекты. Масса — это просто связь Хиггса. Если частица и античастица встречаются, они могут аннигилировать, и в этом случае масса исчезает (или нет, в конечном состоянии может быть массивная частица).

Поскольку такие вещи, как число барионов и число электронов, сохраняются, основные частицы, которые они образуют (атомы), в отсутствие антивещества кажутся стабильными и выглядят как «вещество». Но принципиально: они ни то, ни другое.

Цитировать
Следовать
1 842 6 6 серебряных знаков 14 14 бронзовых знаков
ответ дан 15 янв. 2020 г. в 6:42
25.5k 3 3 золотых знака33 33 серебряных знака61 61 бронзовый знак
$endgroup$

$begingroup$ @OrangeDog Определенно, а затем, как макроскопическая сверхтекучесть, они действуют невероятно неинтуитивно. Для меня тот факт, что все He4 не просто идентичны, но и неразличимы, имеет смысл только в том случае, если они представляют собой когерентный набор квантов поля. $endgroup$

15 января 2020 г., 17:10

$begingroup$ Свинец-208 может быть лучшим примером, поскольку (насколько мне известно) никому не удалось сделать из него сверхтекучее вещество. $endgroup$

15 января 2020 г., 17:13

$begingroup$ Я бы также подумал, что гамма-фотоны после электрон-позитронной аннигиляции оказывают на свое окружение ту же гравитационную силу, что и исходные "частицы". Общая масса системы вообще не меняется (как же так?). Это часть значения эйнштейновской эквивалентности массы и энергии: они едины. $endgroup$

16 января 2020 г., 2:13

Масса $begingroup$ @lcv сохраняется в химической реакции, но освобождается от реагентов и рассеивается в виде различных форм энергии. На каждые 20 граммов кислородно-водородной смеси, которые вы сжигаете в воде, вода становится на 11 нанограммов легче исходной смеси. Эти 11 нанограмм перераспределяются в окружающую среду, в первую очередь за счет кинетической энергии и электромагнитного излучения. $endgroup$

16 января 2020 г., 13:03
$begingroup$ @lcv барионное число != масса $endgroup$
16 января 2020 г., 15:45
$begingroup$

Во-первых, я хотел бы отметить, что, поскольку этот термин встречается часто, в строгом использовании не существует такого понятия, как «чистая энергия». Энергия не является вещи, как в частицах, но количество это связано с материалом, количеством, хотя это количество действительно можно рассматривать как действующее, учитывая его свойство сохранения, как своего рода неосязаемый «материал», который вы можете класть туда или сюда или перемещать по-разному.Конечно, я полагаю, что здесь можно вести некоторые философские споры — в конце концов, «частицы» можно считать и «просто числами», в некотором смысле, если вы просто придерживаетесь грубого инструменталистского понимания. Поэтому, возможно, мне следует сказать «энергия — это не частицы», а не «не вещество».

Вместо того, чтобы говорить о превращении «материи» в «энергию», правильнее говорить о масса как форма энергии, так что о "преобразовании" речи не идет: масса уже энергия. Что происходит, так это преобразование этой энергии из одной формы в другую, и при этом другие вещи должны измениться, и это может означать перегруппировку частиц или превращение одних частиц в другие.

В этом случае, поскольку вы говорите о «чистой энергии», а я хорошо понимаю, как люди говорят о вещах в просторечииЯ полагаю, вы имеете в виду аннигиляцию, например, между частицей и ее античастицей. Что ж, там происходит второй тип процессов: старые частицы исчезают и одновременно (по крайней мере, с обычной оговоркой, что мы не можем наблюдать за квантовыми процессами, но математика за то, что мы Можно промежутки между ними говорят нам, что если что-то и можно назвать «событием уничтожения», то «одновременное» не является слишком плохо с ней справляться) появляются новые частицы. Если это электрон и позитрон, вы получите два фотона. Если это протон с антипротоном, вы получите (в конечном счете) несколько фотонов, а также нейтрино. Последние действительно имеют некоторую массу, а первые — нет. Однако у всех есть энергия, и энергия сохраняется повсюду.

Происходит то, что в этих случаях остальная (или «массовая») энергия частиц, пропорциональная их массе, преобразуется в массу, а также в кинетическую энергию частиц. Другой частицы.В электронно-позитронном случае конечная энергия является чисто кинетической, так как в некотором смысле вся энергия фотонов является кинетической энергией, в то время как в протонно-антипротонном случае нейтрино имеют немного энергии массы покоя, но подавляющее большинство часть энергии остается кинетической и в этом случае.