3.2. Законы сохранения и превращения

Встречающиеся в природе различные виды материи могут превращаться друг в друга различными способами. Водород, соединяясь с кислородом, образует воду, протоны и нейтроны формируют ядра атомов, ядра вместе с электронами образуют атомы, электрон, аннигилируя с позитроном, превращается в кванты электромагнитного поля и т. д. Поэтому можно констатировать, что количество одного вида материи может уменьшаться или увеличиваться, однако это всегда связано с увеличением или уменьшением количества другого вида материи.

Экспериментально установлено, что в изолированной системе общее количество материи постоянно, при этом она из одной формы может переходить в другую. Другими словами, материя из ничего не создается и в ничто не превращается, она лишь из одной формы переходит в другую в строго определенных количествах. Это закон сохранения и превращения материи, являющийся фундаментальным законом природы.

Впервые закон сохранения и превращения материи был сформулирован и экспериментально доказан для частного случая закона сохранения массы при химических реакциях. В 17S6 г. М. В. Ломоносов, исследуя взаимодействие свинца с воздухом в запаянном сосуде, не обнаружил различие массы сосуда до и после реакции окисления. Дальнейшие исследовагам ученых А. Лавуазье (1774), X. Ландольта и Л. Этвеша (1909) подтвердили сохранение массы при химических реакциях в закрытых системах с очень высокой степенью точности (погрешность менее 10^-6 %).

Стр. 35

Независимо от закона сохранения массы развивались представления о справедливости закона сохранения и превращения энергии, берущего начало с известной формулировки М. В. Ломоносова. Под энергией понимают общую количественную меру различных форм движения и взаимодействия материальных объектов. Различают следующие виды энергии:

• механическую (кинетическую) - энергию макроскопических тел;

• тепловую - энергию хаотического движения атомов и молекул;

• электрическую, преимущественно связанную с перемещением электронов между атомами и молекулами;

• магнитную - форму материального взаимодействия, возникающего между движущимися электрически заряженными частицами посредством магнитного поля. Строго говоря, магнитное и электрическое поле - это две неразрывные стороны единого электромагнитного поля. Только в случае статических полей можно говорить об их относительной самостоятельности;

• химическую, являющуюся следствием движения электронов в атомах или молекулах;

• потенциальную, обусловленную движением материи в виде физических полей (обменом между взаимодействующими частицами (квантами) соответствующего физического поля).

Все перечисленные выше виды энергии, характеризующие конкретные формы движения, способны переходить друг в друга. Итак, энергия не возникает из ничего и не уничтожается бесследно, она лишь может превращаться в другие виды энергии в строго эквивалентных отношениях.

Экспериментальной проверкой этого закона занимались многие ученые. Так, Г. Гесс (1840) исследовал тепловые эффекты химических реакций, Дж. Джоуль и Э. Ленц (1842)- преобразование электрической энергии в тепловую и т. д.

Обобщение двух частных законов - закона охранения массы и закона сохранения и превращения энергии - в единый фундаментальный закон сохранения и превращения материи произошло в начале XX в. и связано с революцией в физике. Этот период отмечен успехами в исследовании элементарных частиц, созданием квантовой механики и теории относительности.

Стр. 36

Согласно теории относительности Эйнштейна (1905-1916), масса любого тела при приближении скорости его движения V к скорости света с изменяется со скоростью как

где - масса покоя, и полная энергия движущегося тела равна Е = тс² . Таким образом, масса материального объекта выступает в новом качестве, т. е. она является не только мерой инерции, но и мерой энергии. Становится понятной причина дефекта массы, обнаруженного у составных ядер атомов. Было установлено, что масса ядра не равна простой сумме масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Дефект массы обеспечивается энергией связи нуклонов в ядре. Таким образом, закон сохранения и превращения энергии здесь тоже выполняется.