Ισοδυναμία Μάζας-Ενέργειας

Στη Φυσική, η ισοδυναμία μάζας - ενέργειας εκφράζει την έννοια ότι η μάζα ενός σώματος αποτελεί μέτρο του ενεργειακού του περιεχομένου. Η ενέργεια ενός σώματος σε ηρεμία είναι ίση με το γινόμενο της μάζας ηρεμίας του επί ένα συντελεστή μετατροπής από μονάδες μάζας σε μονάδες ενέργειας. Αν το σώμα δεν είναι σε ηρεμία (ακίνητο) σε σχέση με τον παρατηρητή, τότε πρέπει να ληφθούν υπόψη και άλλοι παράγοντες.

Η θεωρία της σχετικότητας προβλέπει ότι κάθε σώμα έχει ενέργεια εξαιτίας της μάζας του. Όταν το σώμα είναι ακίνητο, αυτή ισούται με ${\displaystyle E=mc^{2}}$, η οποία ονομάστηκε από τον Αϊνστάιν ενέργεια μάζας ηρεμίας. Η ενέργεια που οφείλεται στη μάζα ενός σώματος είναι το άθροισμα της κινητικής ενέργειας και της ενέργειας μάζας ηρεμίας.

Από τα παραπάνω φαίνεται ότι η υπόλοιπη ενέργεια μάζας έχει άμεση σχέση, τουλάχιστον μαθηματικά, με την κινητική ενέργεια. Κατά την ανάπτυξη της θεωρίας της σχετικότητας προβλέφθηκε ότι η κινητική ενέργεια ενός σώματος ισούται με έναν τύπο της μορφής:

${\displaystyle T=B(\upsilon )-mc^{2}}$ 

Όπου Β ένας όρος που εξαρτάται από την ταχύτητα. Ο όρος mc² είναι αποτέλεσμα της απαίτησης ότι η κινητική ενέργεια είναι μηδέν όταν η ταχύτητα είναι μηδέν. Με άλλα λόγια αν δεχτούμε ότι όταν το σώμα είναι ακίνητο δεν έχει κινητική ενέργεια, υποχρεωτικά η κινητική ενέργεια είναι της παραπάνω μορφής.

Στη φύση έχουν παρατηρηθεί πυρηνικά φαινόμενα στα οποία η συνολική μάζα των αντιδρώντων (σώματα που υπήρχαν πριν το φαινόμενο και συμμετείχαν σε αυτό) είναι διαφορετική της συνολικής μάζας των προϊόντων (σώματα που υπάρχουν μετά το φαινόμενο και συμμετείχαν σε αυτό). Αν η μάζα μειώθηκε κατά m, τότε θεωρείται ότι η ελλείπουσα μάζα μετατράπηκε σε ενέργεια ίση με mc², ενώ αν η μάζα αυξήθηκε, τότε θεωρείται ότι απορροφήθηκε ενέργεια ίση με E/c².

 

Η συνολική μάζα των μεμονωμένων νουκλεονίων που συναποτελούν έναν πυρήνα ενός ατόμου είναι μεγαλύτερη της μάζας του ίδιου του πυρήνα. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται έλλειμμα μάζας. Η διαφορά των δύο μαζών αντιστοιχεί σε κάποια ενέργεια. Αυτή η ενέργεια εκπέμπεται υπό μορφή ακτινοβολίας γ όταν σχηματίζεται ένας πυρήνας, ή απορροφάται θεωρητικά όταν αυτός διασπάται.

Σε κάθε μονωμένο σύστημα ισχύει η αρχή διατήρησης της ενέργειας-μάζας της οποίας μία διατύπωση είναι:

${\displaystyle E_{0}=E_{}+(m_{2}-m_{1})c^{2}}$ 

όπου Ε₁ είναι η αρχική συνολική ενέργεια του συστήματος, Ε₂ η τελική συνολική ενέργεια του συστήματος, m₁ η αρχική βαρυτική μάζα του συστήματος, m₂ η τελική βαρυτική μάζα του συστήματος.

Η παραπάνω αρχή αντικαθιστά τις παλιότερα θεωρούμενες βασικές αρχές, αρχή διατήρησης της μάζας και αρχή διατήρησης της ενέργειας. Αυτή η αντικατάσταση έχει επικριθεί από Φυσικούς. Ωστόσο, αυτή η αρχή συνδυασμένη με τους υπόλοιπους νόμους του καθιερωμένου μοντέλου συμφωνεί με τα σύγχρονα πειράματα με πάρα πολύ καλή ακρίβεια.