Umwandlung von Masse in Energie bei chemischen/nuklearen Reaktionen

Das ist tatsächlich eine komplexere Frage, als Sie vielleicht denken, weil die Unterscheidung zwischen Masse und Energie irgendwie verschwindet, sobald Sie anfangen, über kleine Teilchen zu sprechen.

Was ist Masse genau? Es gibt zwei gängige Definitionen:

1. Die Größe, die den Widerstand eines Objekts gegen eine Bewegungsänderung bestimmt, die$m$in$\sum F = ma$
2. Die Größe, die die Reaktion eines Objekts auf ein Gravitationsfeld bestimmt, die$m$in$F_g = mg$(oder gleichwertig in$F_g = GMm/r^2$)

Die Sache ist die, Energie erfüllt tatsächlich beide Definitionen. Ein Objekt mit mehr Energie – egal in welcher Form – ist schwerer zu beschleunigen und reagiert auch stärker auf ein bestimmtes Gravitationsfeld. Also technisch gesehen , bei der Berechnung des Wertes von$m$einzustecken$\sum F = ma$oder$F_g = mg$oder jede andere Formel, die Masse beinhaltet, müssen Sie die chemische potentielle Energie, thermische Energie, Gravitationsbindungsenergie und viele andere Energieformen berücksichtigen. In diesem Sinne stellt sich heraus, dass die „Masse“, von der wir bei chemischen und nuklearen Reaktionen sprechen, praktisch nur ein Wort für die Gesamtenergie eines Objekts ist (na ja, dividiert durch einen konstanten Faktor:$m_\text{eff} = E/c^2$).

In der speziellen Relativitätstheorie, der Elementarteilchenphysik und der Quantenfeldtheorie hat Masse eine völlig andere Definition. Das ist hier aber nicht relevant.

Wenn Masse nur ein anderes Wort für Energie ist, warum sprechen wir dann überhaupt darüber? Nun, zum einen haben sich die Leute daran gewöhnt, das Wort "Masse" zu verwenden, bevor irgendjemand alle seine Feinheiten kannte ;-) Aber im Ernst: Wenn Sie sich wirklich mit all den verschiedenen Energieformen befassen, die es gibt, werden Sie das herausfinden Wie viel Energie ein Objekt tatsächlich hat, kann sehr schwierig sein. Betrachten Sie zum Beispiel eine chemische Verbindung -$\mathrm{CO}_2$zum Beispiel. Sie können nicht einfach die Energie von a herausfinden$\mathrm{CO}_2$Molekül durch Addition der Energien von einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen; Sie müssen auch die Energie berücksichtigen, die erforderlich ist, um die chemische Bindung herzustellen, jegliche thermische Energie, die in Schwingungsmoden des Moleküls oder Kernanregungen der Atome gespeichert ist, und sogar geringfügige Anpassungen der Molekülstruktur aufgrund der Umgebung.

Für die meisten Anwendungen können Sie jedoch all diese zusätzlichen Energiebeiträge ignorieren, da sie im Vergleich zu den Energien der Atome extrem klein sind. Beispielsweise beträgt die Energie der chemischen Bindungen in Kohlendioxid ein Zehnmilliardstel der Gesamtenergie des Moleküls. Auch wenn man durch Addieren der Energien der Atome nicht ganz die exakte Energie des Moleküls erhält, ist sie oft nah genug dran. Wenn wir den Begriff „Masse“ verwenden, bedeutet dies oft, dass wir in einem Bereich arbeiten, in dem diese kleinen Energiekorrekturen keine Rolle spielen, sodass die Addition der Massen der Teile der Masse des Ganzen nahe genug kommt.

Ob die "zusätzlichen" Energien eine Rolle spielen oder nicht, hängt natürlich davon ab, mit welcher Art von Prozess Sie es zu tun haben und insbesondere, welche Energien tatsächlich von dem Prozess betroffen sind. Bei chemischen Reaktionen sind die einzigen Energieänderungen, die wirklich stattfinden, diejenigen aufgrund des Aufbrechens und Bildens chemischer Bindungen, die, wie gesagt, einen winzigen Beitrag zur Gesamtenergie der beteiligten Teilchen darstellen. Aber denken Sie andererseits an einen Teilchenbeschleuniger wie den LHC, der Protonen miteinander kollidieren lässt. Dabei werden die chromodynamischen „Bindungen“ zwischen den Quarks im Inneren der Protonen aufgebrochen und die Quarks rekombinieren dann zu unterschiedlichen Teilchen. In gewisser Weise ist dies wie eine chemische Reaktion, bei der die Quarks die Rolle der Atome spielen und die Protonen (und andere Teilchen) die Verbindungen sind,die Hälfte der Energie des Gesamtsystems (der Protonen) - mit anderen Worten, etwa die Hälfte dessen, was wir normalerweise als "Masse" des Protons betrachten, stammt tatsächlich aus den Wechselwirkungen zwischen den Quarks und nicht aus den Quarks selbst. Wenn also die Protonen miteinander "reagieren", kann man definitiv sagen, dass die Masse (des Protons) in Energie umgewandelt wurde, obwohl diese "Masse" bei genauem Hinsehen nicht wirklich Masse war.

Kernreaktionen liegen gewissermaßen in der Mitte zwischen den beiden Extremen chemischer Reaktionen und Elementarteilchenreaktionen. In einem Atomkern trägt die Bindungsenergie zwischen 0,1 % und etwa 1 % zur Gesamtenergie des Kerns bei. Das ist viel weniger als bei der Farbkraft im Proton, aber immer noch genug, um zur Masse des Kerns gezählt zu werden. Deshalb sagen wir also, dass Masse in Kernreaktionen in Energie umgewandelt wird: Die „Masse“, die umgewandelt wird, ist eigentlich nur Bindungsenergie, aber es gibt genug von dieser Energie, die Sie berücksichtigen müssen, wenn Sie den Kern als Teilchen betrachten in der Bindungsenergie, um die richtige Masse zu erhalten. Bei chemischen Reaktionen ist das nicht der Fall; Wir können die Bindungsenergie bei der Berechnung von Massen einfach ignorieren,

Die potentielle Energie der chemischen Bindungen entspricht einer Massenzunahme proportional zu dieser Energie.

Also zum Beispiel die Energie in a$\mathrm{C-O}$Bindung ist$110\,\rm \frac{kcal}{mol}$, oder ungefähr$7.6\times 10^{-19}\,\rm \frac{J}{bond}$. Teilen durch$c^2$gibt uns eine Masse von etwa$8.5\times 10^{-33}\rm\,g$. In einem Maulwurf von$\mathrm{CO_2}$, das beläuft sich auf$5.1\times 10^{-9}\,\rm g$. Da ein Maulwurf von$\mathrm{CO_2}$hat eine Masse von ca$44\,\rm g$, werden Sie es schwer haben, den Massenunterschied zu messen.

Theoretisch wandeln sogar chemische Reaktionen Masse in Energie um oder umgekehrt. Aber die umgewandelte Masse ist so gering, dass wir sie im Allgemeinen nicht nachweisen können.

Zuerst müssen Sie verstehen, dass es zwei Definitionen für Masse gibt: Ruhemasse und bewegte Masse. Die Ruhemasse ist die Masse, die in dem Rahmen gemessen wird, in dem das Objekt stationär ist. Bewegte Masse ist$m_1=\frac{m_0}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}$. Die alte Schule nennt die Bewegungsmasse Masse, während die neue Schule Ruhemasse Masse nennt.

Die Restmasse ist nicht additiv. Die Ruhemasse eines Moleküls ist nicht die Summe seiner Atome, sondern die Summe plus Bindungsenergie dividiert durch$c^2$. Daher bleibt bei einer chemischen Reaktion zwar die Anzahl der Atome (oder Elektronen, Protonen, Neutronen) erhalten, die Ruhemasse jedoch nicht, da sich die Bindungsenergie ändert. Und das kann als Umwandlung von Masse in Energie bezeichnet werden. Im

Bewegte Masse ist jedoch nur ein anderer Name für Energie und daher immer erhalten. Bei der Verbrennung wird die molekulare Bindungsenergie in zusätzliche kinetische Energie umgewandelt$\mathrm{CO_2}$Moleküle, also bleibt die Masse (oder Energie) erhalten. Bei der Kernreaktion wird die elektromagnetische und starke potentielle Energie zwischen Nukleonen in die kinetische Energie neuer Kerne und (manchmal) fliegender Neutronen umgewandelt. Manchmal befinden sich die neuen Kerne in einem angeregten Zustand und emittieren bald Gammastrahlung, die im Grunde hochenergetische Photonen mit einer Ruhemasse von Null, aber einer Bewegungsmasse ungleich Null sind.

Viele alte Schulbücher, die ich lese, verwenden zweierlei Maß. Wenn sie sich allgemein auf Masse beziehen, meinen sie bewegte Masse, die mit der Geschwindigkeit zunimmt; aber wenn sie sich auf Masse in der Kernreaktion beziehen, meinen sie Ruhemasse. Ich schätze, das ist, wie Sie verwirrt wurden.

Chemische Reaktionen jeglicher Art ---> Keine Umwandlung. Alle Masse (und Energie) bleibt erhalten.

Kernreaktionen ---> Ja, Masse wird in Energie umgewandelt, sowohl bei Spaltungs- als auch bei Fusionsreaktionen.

Welche Masse? Nun, nach meinem College-Unterricht hätte ich gesagt, dass ein Neutron verloren geht (in Energie umgewandelt wird). Aber ein schnelles Surfen im Internet zeigt mir, dass das, was ich auf dem College gelernt habe, heute als Altweibergeschichte gilt. Die neue Antwort, obwohl offensichtlich nicht das, was ich gelernt habe, widersetzt sich meinen Bemühungen, sie zu verstehen, geschweige denn in einem einfachen Leseformat für Sie zu verdichten. Vielleicht wagt es noch jemand.