Sự tương đương khối lượng–năng lượng

Tác phẩm điêu khắc cao 3 mét về công thức nổi tiếng của Einstein E = mc² tìm ra năm 1905 ở Walk of Ideas, Berlin, Đức năm 2006.

Trong vật lý học, sự tương đương khối lượng–năng lượng là khái niệm nói về khối lượng của vật thể được đo bằng lượng năng lượng của nó. Năng lượng nội tại toàn phần E của vật thể ở trạng thái nghỉ bằng tích khối lượng nghỉ của nó m với một hệ số bảo toàn phù hợp để biến đổi khối lượng đơn vị thành năng lượng đơn vị. Nếu vật thể không đứng im tương đối với quan sát viên thì lúc đó ta phải tính đến hiệu ứng tương đối tính ở đó m được tính theo khối lượng tương đối tính và E trở thành năng lượng tương đối tính của vật thể. Albert Einstein đề xuất công thức tương đương khối lượng-năng lượng vào năm 1905 trong những bài báo của Năm Kỳ diệu với tiêu đề Quán tính của một vật có phụ thuộc vào năng lượng trong nó? ("Does the inertia of a body depend upon its energy-content?") Sự tương đương được miêu tả bởi phương trình nổi tiếng

$E=mc^{2}\,\!$

E = Năng lượng
m = Khối lượng
c = Tốc độ ánh sáng trong chân không.
Phương trình cho thấy E luôn thể hiện được bằng M cho dù C.

Với E là năng lượng, m là khối lượng, và c là tốc độ ánh sáng trong chân không. Ở hai vế của công thức có thứ nguyên bằng nhau và không phụ thuộc vào bất kỳ đơn vị của hệ thống đo lường. Ví dụ, trong nhiều hệ đơn vị tự nhiên, tốc độ của ánh sáng (vô hướng) được đặt bằng 1 ('khoảng cách'/'thời gian'), và công thức trở thành đồng nhất thức E = m'('khoảng cách'^2/'thời gian'^2)'; và từ đây có thuật ngữ "sự tương đương khối lượng-năng lượng".

Phương trình E = mc² cho thấy năng lượng luôn luôn thể hiện được bằng khối lượng cho dù năng lượng đó ở dưới dạng nào đi chăng nữa. sự tương đương khối lượng–năng lượng cũng cho thấy cần phải phát biểu lại định luật bảo toàn khối lượng, hay hoàn chỉnh hơn đó là định luật bảo toàn năng lượng, nó là định luật thứ nhất của nhiệt động lực học. Các lý thuyết hiện nay cho thấy khối lượng hay năng lượng không bị phá hủy, chúng chỉ biến đổi từ dạng này sang dạng khác.

Ứng dụng vào vật lý hạt nhân

Max Planck chỉ ra rằng công thức tương đương khối lượng năng lượng ngụ ý rằng các hệ thống ràng buộc sẽ có khối lượng nhỏ hơn tổng các thành phần của chúng, một khi năng lượng liên kết đã được phép thoát ra. Tuy nhiên, Planck đã suy nghĩ về các phản ứng hóa học, trong đó năng lượng liên kết quá nhỏ để đo lường. Einstein cho rằng các vật liệu phóng xạ như radium sẽ cung cấp một bài kiểm tra về lý thuyết, nhưng mặc dù một lượng lớn năng lượng được giải phóng trên mỗi nguyên tử trong radium, do thời gian bán rã của chất này (1602 năm), chỉ một phần nhỏ các nguyên tử radium phân rã trong một khoảng thời gian có thể đo được bằng thực nghiệm.

Sau khi hạt nhân được phát hiện, các nhà thí nghiệm nhận ra rằng năng lượng liên kết rất cao của hạt nhân nguyên tử sẽ cho phép tính toán năng lượng liên kết của chúng, đơn giản là từ sự khác biệt khối lượng. Nhưng phải đến khi phát hiện ra neutron vào năm 1932 và việc đo khối lượng neutron, phép tính này mới thực sự có thể được thực hiện (xem năng lượng liên kết hạt nhân để tính toán ví dụ). Một lát sau, máy gia tốc Cockcroft từ Walton tạo ra phản ứng biến đổi đầu tiên ( 7 3 Li + 1 1 p → 2 4 2 He), xác minh công thức của Einstein với độ chính xác là ± 0,5%. Năm 2005, Rainville và cộng sự. đã công bố một thử nghiệm trực tiếp về sự tương đương năng lượng của khối lượng bị mất trong năng lượng liên kết của neutron với các nguyên tử của các đồng vị silic và lưu huỳnh đặc biệt, bằng cách so sánh khối lượng bị mất với năng lượng của tia gamma phát ra liên quan đến sự bắt giữ neutron. Sự mất mát khối lượng liên kết đã thỏa thuận với năng lượng tia gamma với độ chính xác là ± 0,00004%, thử nghiệm chính xác nhất của E = mc 2 cho đến nay.

Công thức tương đương khối lượng năng lượng được sử dụng để hiểu các phản ứng phân hạch hạt nhân và ngụ ý lượng năng lượng lớn có thể được giải phóng bằng phản ứng chuỗi phân hạch hạt nhân , được sử dụng trong cả vũ khí hạt nhân và năng lượng hạt nhân. Bằng cách đo khối lượng của các hạt nhân nguyên tử khác nhau và trừ đi từ số đó tổng khối lượng của các proton và neutron khi chúng có trọng lượng riêng, người ta sẽ có được năng lượng liên kết chính xác có sẵn trong hạt nhân nguyên tử . Điều này được sử dụng để tính toán năng lượng được giải phóng trong bất kỳ phản ứng hạt nhân nào, như sự khác biệt trong tổng khối lượng của các hạt nhân đi vào và thoát khỏi phản ứng.

Liên kết ngoài

• The Equivalence of Mass and Energy – Entry in the Stanford Encyclopedia of Philosophy
• Living Reviews in Relativity – An open access, peer-referred, solely online physics journal publishing invited reviews covering all areas of relativity research.
• A shortcut to E=mc² – An easy to understand, high-school level derivation of the E=mc² formula.
• Einstein on the Inertia of Energy – MathPages