قانون حفظ الطاقة والكتلة

قانون حفظ الطاقة والكتلة

لقرون خلت ظن العلماء ان الكتلة ثابتة لا تتغير اذ لايمكن خلقها من العدم ولا يمكن ان تذهب الى العدم ووضعوا لذلك قانونا مشابها لقانون حفظ الطاقة سمى بقانون حفظ الكتلة ، أي انهم تصوروا ان الكتلة والطاقة مفهومان منفصلان الى ان توصل العلماء وايدتهم التجارب العلمية ان هناك علاقة بين الكتلة والطاقة وقد حدد العالم انشتاين هذه العلاقة سنة 1905 م بالاتي:

التغير في طاقة الجسم = التغير في كتلته × مربع سرعة الضوء



أي ان ∆ طا = ∆ ك سض ²





ان الطاقة مقاسة بالجول والكتلة مقاسة بالكغم وسرعة الضوء في الفراغ تساوي 3 × 10 ⁸ م/ثا. فاستنادا الى ذلك نجد ان الكتلة والطاقة صورتان لشئ واحد ويمكن تحويل احداهما الى الاخرى. وهنا يجب ان نشير الى ان الكتلة هي المقياس الكمي للاستمرارية فهي ثابتة عند السكون الا انها تتغير بتغير السرعة.

ان تغير كتلة الجسم بالسرع الاعتيادية يكون من الصغر والضالة بمستوى لا يمكن قياسه ، ولكن متى ما اصبح الانطلاق كبيرا يقرب من سرعة الضوء احدث تغييرا محسوسا بالكتلة كما ثبت ذلك بالتجارب العلمية على الجسيمات الاولية مثل البروتونات والنيوترونات والالكترونات المتحركة بسرعة فائقة فالجسم الذي كتلته عند السكون (ك) يمكن حساب كتلته (ك_س) عند الحركة بانطلاق (س) من العلاقة.



ك

ك_س =

1 - س²

سض²





نجد من هذه المعادلة ان التغير الذي يحصل في الكتلة بسبب زيادة السرعة يكون ضئيلا حتى تقترب السرعة من سرعة الضوء عندئذ تبدا الكتلة بالزيادة السريعة.

اما اذا اصبحت سرعة الجسيم تساوي سرعة الضوء عندئذ يجب ان تصبح كتلته لا نهائية ، والكتلة اللانهائية تحتاج الى قوة لا نهائية حتى تعجلها ، والقوة اللانهائية مستحيلة ، فمن الواضح انه لايمكن تعجيل الجسم وايصاله الى سرعة الضوء. نجد من ذلك كيف تؤدي زيادة السرعة الى زيادة الكتلة أي كيف تتحول الطاقة الى كتلة.

فمثلا ان الالكترونات المنطلقة داخل انبوبة شاشة التلفزيون تنطلق بسرعة تساوي ثلث سرعة الضوء قبل اصطدامها بالشاشة ، وبتطبيق المعادلة السابقة نجد ان كتلة الالكتون التي مقدارها عند السكون 9.1 ×10^-31 كغم تصبح 9.6 × 10^-31 كغم ، وهنا نجد ان كتلة الالكترون لا تزداد الا بمقدار صغير على الرغم من هذه السرعة الهائلة. وكذلك من الجدير بالملاحظة ما يتحول من الكتلة الى طاقة حسب المعادلة:-





طا = ∆ ك سض ²



هو جزء صغير من الكتلة الكلية. فالطاقة لمفاعل ما او لقنبلة نووية تنتج من مقدار صغير جدا من الكتلة تتحول الى كمية هائلة من الطاقة.

فثلا لو احرقت ستة اطنان مترية من الفحم مع (16) طنا متريا من الاوكسجين فان كل الطاقة المنبعثة على شكل حرارة او ضوء خلال عملية الاحتراق تجعل نتائج مواد الاحتراق اقل من الاثنين وعشرين طنا بمقدار 0.002 غم فقط ام في التفاعلات النووية فان هذه النسبة تكبر وقد تصل الى 1% من الكتلة الكلية كما يحدث في القنبلة الذرية ، فاذا علمت بان الشمس التي طاقتها ناتجة عن التفاعلات النووية تفقد من كتلتها قرابة 4.4 مليون طن في الثانية ، فتصور عظمة الطاقة المنبعثة من الشمس. من ذلك يتبين ان قانون حفظ الطاقة التقليدي يجب تحويره الى الصيغة الاتية ( المجموع الكلي للكتلة والطاقة لاي نظام معزول مقدار ثابت).

شكرا جزيلا

--------------------------