Что же сохраняется?

Как изменился наш взгляд на закон сохранения вещества? Масса не сохраняется. Химические элементы переходят один в другой при ядерных реакциях. Что же сохраняется?

Когда М. В. Ломоносов и А. Лавуазье формулировали закон сохранения вещества, они представляли себе этот закон как закон сохранения массы. Полная масса всех составных частей в начале химической реакции равняется массе в конце ее, какие бы реакции ни происходили. Кроме того, в химических реакциях не изменяется количество атомов любого участвующего в реакции элемента - атомы элементов только переходят от одной молекулы к другой.

В XX в. этот закон был существенно уточнен, так как во многих случаях в простой форме он оказывался неправильным. Разберем нарушение этого закона на примере превращения водорода в гелий.

Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Проследим за реакцией образования ядра гелия. Такую реакцию можно осуществить в два этапа. Сначала, облучая водород нейтронами, можно получить дейтрон - ядро, состоящее из нейтрона и протона. Когда к такому ядру присоединяется электрон, получается атом водорода, но с массой, в два раза большей массы обычного атома. Если облучить воду, содержащую тяжелый водород (тяжелую воду), дейтронами, то будут получаться ядра гелия. При этом выделяется громадная энергия, которая уходит в форме у-квантов, т. е. в форме электромагнитных волн. Откуда эта энергия берется? Ядерные частицы - нейтроны и протоны -притягиваются друг к другу ядерными силами, которые действуют только на малых расстояниях (приблизительно 10^-13 см), зато на этих расстояниях они несравненно больше всех других известных нам сил. Ядерное притяжение двух протонов больше, чем их кулоновское отталкивание, в 10⁴⁰ раз.

При соединении нейтрона и протона в дейтрон эти частицы ускоряются, а всякая заряженная частица при ускорении излучает электромагнитные волны. Итак, было два протона и два нейтрона, а получилось ядро гелия и громадная энергия, которая выделилась в форме у-квантов. Вот тут и потерялась масса. Масса протона равна М_р= 1,00728, а масса нейтрона М_n= 1,00867, масса ядра гелия М_Не = 4,00273. Здесь выбрана такая единица массы, при которой атомная масса изотопа углерода ¹²С равна 12. Следовательно,

Если массу приписывать только нейтрону, протону и гелию, то закон сохранения массы нарушится. Для спасения этого закона нужно приписать массу также и у-квантам. Мы столкнулись с частным случаем общего закона природы, открытого Эйнштейном: масса тела изменяется с изменением его энергии, в какой бы форме эта энергия ни содержалась. Масса (М) связана с энергией (Е) следующей формулой :

Здесь с — скорость света, поэтому и

- масса у-квантов равна:

где Е_y — энергия у-квантов.

Теперь закон сохранения массы восстановился, или, лучше сказать, объединился с законом сохранения энергии. В самом деле, если покоящемуся протону приписать энергию Е_p а нейтрону — Е_п, то, умножая формулу для равенства масс на с², получим закон сохранения энергии:

Заметим, что в реакции электрический заряд двух протонов как раз равен заряду Не (нейтрон — частица, не имеющая заряда). Кроме того, число ядерных частиц слева равно числу ядерных частиц справа. Чтобы подчеркнуть эти законы сохранения, ядерную реакцию записывают в виде:

Верхние значки дают число ядерных частиц, участвующих в реакции, а нижние — электрический заряд, выраженный через заряд электрона. Сумма верхних значков слева и справа равна так же, как и сумма нижних.

Таким образом, закон сохранения массы после того, как была установлена связь массы с энергией, превратился в закон сохранения энергии. Что же касается сохранения химических элементов, то этот закон совсем не соблюдается в ядерных реакциях (водород превратился в гелий). Вместо этого закона действуют во всех случаях два закона сохранения: закон сохранения заряда и закон сохранения числа ядерных частиц, который называется законом сохранения барионного заряда.

перейти к началу страницы