提問:愛因斯坦的等式E=mc2有哪些意義?
回答:從歷史來看,質能多項式E=mc2凸顯了裂變會形成能量,所以它是奇特放射性的一個競爭者(雖然是放射性鋇元素的一部份)在鈾元素被慢速中子轟擊的時侯。
圖解:這個沒有標明日期的相片是知名數學學家阿爾伯特·愛因斯坦院士,相對論的作者。
弗里施和邁特納在1938年的冬天去郊游的時侯討論了這個項目。邁特納猜想原子核其實開裂了(她說的是“裂變”——從真菌中分離——一個生物學意象),而且弗里施曉得,原子核是很難被封住的,不容易被這樣破壞掉。他不覺得原子核是能量的源頭。
邁特納記得所有元素的平均質量巨虧,所以1938年在荒坡里,她還能靠一根筆和一張紙得出“裂變產物”元素的“斂集率”虧損,例如碘元素,鋇元素或鍶元素(比鈾元素——最開始的物質還要大)。因而一個鈾原子可以分裂成兩個原子核,它們喪失的質量比一個鈾原子喪失的質量多。鈾和裂變產物之間“失去質量”的差別可以提供所需的能量,能量釋放時每E=mc2。“這都合適,”弗里施寫道。
(圖:莉澤·邁特納。法國-瑞士原子化學學家。她的諸多成績中最重要的是她第一個理論解釋了奧托·哈恩1938年發覺的核裂變。1939年2月11日,邁特納和弗里施發表核裂變的論文。)
從我們現代的眼光看來,這有點落后了。一旦原子核之間的吸引力被克服,能量就從尸塊的電磁敵視中形成了。并且能量被吸引的可能性由這種力的總和提供,這種力的總和要足夠大才能在能量釋放以后(弄成了光和熱)出現質量巨虧。所以邁特納所需的要展示的時假定裂變反應是“放能的”(形成能量)。
(圖:核裂變)
假如是這樣,那這個關于裂變的新公設不違背熱力學第一定理,但是她們在這個時侯不須要害怕有效機制。她們只須要解決弗里施的“第一定理”對熱力學的違背。
熱力學第二定理關注到,每每形成熱和/或幅射并擴散到空中時,便是每次自發的核反應或衰變發生時。
(圖:愛因斯坦與質能多項式)
這來自愛因斯坦等式與核牽制的有關的觀點(畢竟,愛因斯坦-西拉德之信在二戰以后顯得有名)。并且在我們發覺這點之前,遺失的質量并不是對裂變能量的解釋,僅僅是能量顯得活躍并離開的一個副作用。邁特納強調,這些預期的副作用是哪里有大量能量的反應。
產物應當會在它們變冷然后顯得更輕。因而裂變反應會形成自由或活躍得能量(光和熱),而不是忍氣吞聲。這樣,它會是自發的質能方程的公式,(或起碼,它是容易發生的,因而可能是一個流程。)
放射性與核能
人們很容易注意到,在1897年放射性被發覺以后,放射過程形成的總能量比任何已知的分子變化形成的能量大差不多一百萬倍。不過,一個疑惑形成了:這種能量是從哪來的?在排除個別微粒的吸收和釋放以后,大量儲存在物質中潛在能量的出現,被歐內斯特·盧瑟福和弗雷德里克·索迪在1903年提出。盧瑟福也提出這種內部的能量是儲存在一般物質中的。他接著在1904年猜想。
(圖:盧瑟福)
假如找到可以控制放射性元素衰變率的方式,巨量的能量就可以從少量的物質中獲得。
愛因斯坦的等式絕不是大量能量從放射性衰變中釋放的解釋(這來自原子的力量直至1905年才被了解)。不管如何,巨大的能量從放射性衰變中釋放(被盧瑟福檢測過)是比檢測物質總質量的改變(仍然很小)要容易的。愛因斯坦的等式,從理論上講,可以通過檢測反應前后的質量變化來檢測能量。并且實際上,在1905年,這種質量的變化對檢測來說還是太小了。
在這之前,用熱量計檢測放射性衰變能量是容易的,作為對愛因斯坦等式的檢驗,被覺得會使檢測質量差的變化成為可能。愛因斯坦在他1905年的論文中提及,質-能等效似乎會被放射性衰變(釋放出足夠的能量質能方程的公式,1905年曉得了簡略的數目)測試到,在從系統中消失時可能被稱出重量(弄成了熱量)。不過,放射性由于它不會改變的溫和,會繼續進行,(甚至在簡單的核反應能通過質子轟擊進行的時侯),由于放射性反應十分慢。這大量的可用能源會有無盡的實用性的概念,很難被否認。盧瑟福在1933年的報告中澄清,這種能源不能被有效開發:“不管是誰,想要從原子中轉化出能量簡直是做夢。”
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3.-初霽