Transcript והמצגת
Albert Einstein (1946). E=mC2: The Most Urgent Problem of our Time. Science Illustrated 1, p. 16–17, 1946 המצגת מצורפת כנספח מספר 2למאמר" :שימוש במאמר פופולארי של אלברט איינשטיין על השקילות בין מסה ואנרגיה כמסגרת מארגנת לדיון באנרגיה" מאת שולמית קפון ועירית אהרון ,תהודה ,כרך ,31 חוברת ,2תשע"ג ( .)2013המצגת מלווה את פעילויות 5ו 6-בחוברת "פעילויות לימודיות בעקבות מאמר מדעי לקהל הרחב" .חוברת הפעילויות מצורפת כנספח מספר 1לאותו מאמר. שולמית קפון ועירית אהרון -כל הזכויות שמורות 4.7.13 ”“Physicists accepted this principle up to a few decades ago. הנחה ראשונית שימור אנרגיה מכאנית שימור חום שינוי צורה ,שינוי מצב צבירה ,המסה ,תגובה כימית ראיות תומכות ראיות מפריכות יישוב הפרדוקס ע"י הרחבת תחום הכיסוי של עקרון שימור האנרגיה 2 שימור מסה • האנרגיה המכאנית והחום אינם גדלים הנשמרים בזכות עצמם • אנרגיה מכאנית ואנרגיה תרמית הן צורות של אנרגיה שיכולות להיות מומרות זו לזו ולצורות אחרות של אנרגיה (חשמלית ,כימית ,וכד') • האנרגיה הכוללת נשמרת ”“Physicists accepted this principle up to a few decades ago. הנחה ראשונית ראיות תומכות שינוי צורה ,שינוי מצב צבירה ,המסה ,תגובה כימית ראיות מפריכות השערה הנובעת מהנחות היסוד של תורת היחסות הפרטית (זו אינה ראיה!!) יישוב הפרדוקס ע"י הרחבת תחום הכיסוי של עקרון שימור האנרגיה 3 שימור אנרגיה מכאנית שימור חום שימור מסה • האנרגיה המכאנית ,החום והמסה אינם גדלים הנשמרים בזכות עצמם • במסה כמוסה אנרגיה שיכולה להיות מומרת לצורות אחרות של אנרגיה (למשל אנרגיה קינטית) • האנרגיה הכוללת נשמרת כמה אנרגיה כמוסה במסה בת גרם אחד? המון!!! Emass = mC2 = 10-3kg·(3·108m/sec)2 = 9·1013Joul ≈ 1014Joul ▪ 4 השוו למשל למעברי האנרגיה שראיתם בניסוי בקלורימריטריה 103Joul - "כל עוד אנרגיה זו אינה נפלטת החוצה אי אפשר לצפות בה .חישבו על אדם עשיר שלא מבזבז פרוטה -איש לא יוכל לדעת עד כמה הוא עשיר". כמות האנרגיה הדרושה כדי להעלות את הטמפרטורה של 1ליטר מים (1ק"ג ,או 1000גרם מים) ב :1C0 ∆ Eheat ≈ 4·103Joul מהו שינוי המסה הצפוי כתוצאה מתוספת אנרגיה זו? לא שינוי בר מדידה!! (מליונית של אלפית של מאית הגרם) מקור האיור: 5 http://pleasediscuss.com/andimann/2009 1204/cio-dilemma-balancing-tactical-andstrategic-projects/875412_330130201/ יוצרים הניסיון מראה שבביקוע גרעיני מסת התוצרים קטנה ממסת היוצרים יוצרים < MתוצריםM עקרון השקילות בין מסה ואנרגיה מסביר את התופעה באופן מלא: C2יוצרים = Mאנרגיה נפלטת C2 +תוצריםM תוצרים 6 מקור האיור: http://www.planetnana.co.il/first_pxdex/atom.html ”“Physicists accepted this principle up to a few decades ago. הנחה ראשונית ראיות תומכות חימום ,המסה ,אידוי, איחוד בתרכובות כימיות ראיות מפריכות השערה הנובעת מתורת היחסות הפרטית ראיה :ביקוע גרעיני יישוב הפרדוקס ע"י הרחבת תחום הכיסוי של עקרון שימור האנרגיה 7 שימור אנרגיה מכאנית שימור חום שימור מסה • האנרגיה המכאנית ,החום והמסה אינם גדלים הנשמרים בזכות עצמם • במסה כמוסה אנרגיה שיכולה להיות מומרת לצורות אחרות של אנרגיה (למשל אנרגיה קינטית) • האנרגיה הכוללת נשמרת 8 "תיאוריה מרשימה יותר ככל שהנחות היסוד שלה פשוטות יותר ,ככל שהיא מתייחסת לנושאים מגוונים יותר ,וככל שהיא ניתנת ליישום בתחומים נרחבים יותר" (איינשטיין ,הערה אוטוביוגרפית) כיצד ההתפתחות ההיסטורית של עקרון שימור האנרגיה המתוארת במאמר מתיישבת עם אמירה זו? 9 בתהליך הביקוע נשברים קשרים בין הנוקלאונים (הפרוטונים והנויטרונים שבגרעין). קשרים אלה חזקים הרבה יותר מקשרים כימיים ולכן האנרגיה הדרושה כדי לשחרר נוקלאון מגרעין של אטום גדולה בערך פי מיליון מזו הדרושה כדי לשחרר אלקטרון מאותו אטום .לפיכך כל ביקוע של גרעין ישחרר בערך פי מיליון יותר אנרגיה מאשר ריאקציה כימית לה שותף האטום. הנויטרונים שמשתחררים בביקוע יכולים לבקע גרעינים אחרים ונקבל תגובת שרשרת. 10 מדוע תחנת כוח העובדת עם כור גרעיני צריכה פחות "דלק" כדי לייצר אותה כמות אנרגיה בהשוואה לתחנת כוח ששורפת פחם? תשובה :מכיוון שההפרשים באנרגיית הקשר הגרעינית גדולים בערך פי מיליון מההפרשים באנרגיות הקשר הכימיות ,גרם אחד של דלק "גרעיני" יניב בערך פי מיליון יותר אנרגיה מגרם אחד של דלק "כימי" (למשל פחם). מדוע צוללת שתקבל את האנרגיה שלה מכור גרעיני בתוך הצוללת תוכל לנוע יותר זמן ללא צורך בתדלוק בהשוואה לצוללת רגילה? תשובה :מכיוון שגרם של דלק גרעיני מספק יותר אנרגיה מגרם של דלק כימי מדוע פסולת רדיואקטיבית מסוכנת? מדוע פיצוץ גרעיני יוצר הרס מתמשך שנמשך שנים לאחר הפיצוץ? תשובה :משום שתוצרי הביקוע ממשיכים להתבקע לגרעינים קטנים יותר ויותר עד שנוצרים גרעינים יציבים שאינם מתבקעים באופן ספונטני .זהו תהליך שלוקח הרבה מאד זמן ובזמן זה נפלטת לסביבה קרינה כתוצר לוואי של הריאקציות הגרעיניות. ארנסט רתרפורד בריטניה אירן ז'וליו-קירי צרפת אנריקו פרמי איטליה 12 אוטו האן ,ליסה מייטנר ופריץ שטרסמן (לא בתמונה) גרמניה מבקעי הגרעין ()1939 - 1944אוטו האן זוכה בפרס נובל לכימיה על גילוי תהליך הביקוע הגרעיני 13 אוטו האן ,הכימאי הגרמני שקיבל את פרס נובל בכימיה ב 1944על גילוי הביקוע הגרעיני ( )1939חשב הרבה זמן שמדובר בטעות מדידה .כיוון ש"לא ייתכן" שהמסה לא תישמר. הוא וצוותו חזרו על המדידות השקיעו מאמצים רבים בחיפוש המקור ל"טעות". שותפתו למחקר ,ליזה מייטנר הייתה זו שעשתה את הקשר לעקרון השקילות בין המסה והאנרגיה והראתה ע"י חישוב שהפחת במסה ניתן להסבר מלא ע"י האנרגיה הנפלטת. ליזה מייטנר לא חלקה עם האן את הנובל. יש האומרים שהסיבה היא היות ועדת הפרס מוטה כנגד נשים ויש האומרים שהסיבה נבעה מכך ששמה לא הופיע על המאמר הראשון שפרסם האן על התגלית ( )1939בשל היותה יהודיה (מומרת) גולה מגרמניה הנאצית. ליסה מייטנר ואוטו האן ב 1966קיבלה מייטנר עם האן ועם פריץ מבקעי הגרעין ()1939 שטרסמן את פרס פרמי על התגלית. 14 – 1938ליזה מייטנר נאלצת לברוח מברלין ומתחילה לעבוד בסטקהולם. שיתוף הפעולה עם הקבוצה של אוטו האן בברלין ממשיך דרך חליפת מכתבים ופגישות חשאיות. מייטנר הראשונה להבין כי גרעין האטום יכול להתפצל לגרעינים קטנים תוך פליטת נויטרונים וכמות גדולה של אנרגיה -מקור האנרגיה בפחת במסה. – 1939בגלל המצב באירופה האן ומייטנר אינם יכולים לפרסם במשותף .האן מפרסם את התגליות הכימיות וחודשיים אח"כ מייטנר מפרסמת את ההסבר הפיסיקלי .היא טובעת יחד עם אחיינה הפיזיקאי אוטו פריש את המושג ביקוע גרעיני ומציינת שתגובת שרשרת כזו עשויה לגרום לפיצוץ גדול. הפחד מפוטנציאל ההרס של התגלית ומכך שהיא נמצאת בידיים גרמניות מוביל להקמת פרויקט מנהטן שבסיומו נוצרת פצצת האטום הראשונה .אלברט אינשטיין בין החתומים על המכתב לנשיא רוזוולט שהוביל ב 1939להקמת הפרויקט .מייטנר מסרבת להצטרף לפרויקט ומצהירה שלא תיקח חלק בתכנון הפצצה. – 1946ועדת עדת החירום של מדעני האטום מכונסת על ידי אלברט איינשטיין ולאו סילארד (גם הוא מיוזמי המכתב לנשיא רוזוולט) ,כדי להזהיר את הציבור מהסכנות הכרוכות בפיתוח פצצות האטום ולקדם את השימוש באנרגיה גרעינית שלא לצורכי לחימה. ליזה מיינטנר בויקיפדיה כדי "לנצח" את הדחייה החשמלית בין הפרוטונים (הכוח האלקטרומגנטי) הנוקלאונים (פרוטונים ונויטרונים) צריכים ממש לגעת זה בזה לכן גרעין גדול יהיה פחות יציב טווח הפעולה של הכוח החזק 16 מקור האיור: http://www.particleadventure.org/index.html 17 מקור האנרגיה הכמוסה בקשרים כימיים הוא אנרגיית הקשר החשמלית ,האנרגיה המינימאלית שיש להשקיע כדי לשחרר את האלקטרונים מהאטום. בריאקציה כימית לוקחים חלק האלקטרונים שבאטום. מדוע יש להשקיע אנרגיה כדי לנתק אלקטרון מהאטום? ▪ תשובה :ש לבצע עבודה כנגד הכוח החשמלי – להתגבר על המשיכה בין הגרעין והאלקטרון מקור האנרגיה הכמוסה בגרעין – אנרגיית הקשר הגרעינית ,האנרגיה המינימאלית שיש להשקיע כדי לפרק את הגרעין למרכיביו (פרוטונים ונויטרונים או באופן כללי נוקלאונים). בריאקציה גרעינית לוקחים חלק הנוקלאונים (פרוטונים ונויטרונים) מדוע יש להשקיע אנרגיה כדי לנתק את הנוקלאונים זה מזה? ▪ תשובה :יש לבצע עבודה כנגד הכוח הגרעיני החזק – להתגבר על המשיכה בין הנוקלאונים. גרעינים יציבים • ככל שאנרגיית הקשר הממוצעת לנוקלאון גדולה יותר הגרעין יציב יותר – כי צריך להשקיע יותר אנרגיה כדי להוציא ממנו נוקלאונים (כמו להוציא כדור מבור) • ככל שהגרעין יציב יותר כך מסתו תהיה קטנה יותר מסכום המסות של הנוקלאונים המרכיבים אותו – כי בתהליך ההתחברות של הנוקלאונים לגרעין נפלטת אנרגיה (כמו כדור שנופל לבור) • בריאקציות גרעיניות בהן התוצרים יציבים יותר מהגרעין היוצר נפלטת אנרגיה לסביבה (כי האנרגיה שהשקענו כדי לפרק את הגרעין היוצר קטנה מזו שנפלטה כשנוצרו גרעיני התוצרים). 18 מקור האנרגיה של השמש 19 התבוננו שוב בגרף של אנרגיית הקשר הממוצעת לנוקלאון כתלות במספר המסה. מדוע בתהליכי היתוך גרעיני נפלטת יותר אנרגיה מאשר תהליכי ביקוע גרעיני? תשובה :על פי שיפועי הגרף של אנרגיית הקשר לנוקלאון כתלות במספר המסה ניתן לראות ששיפוע הגרף בתהליכי היתוך הרבה יותר תלול מהשיפוע בתהליכי ביקוע .מכאן שהשינוי באנרגיות הקשר לנוקלאון בתהליכי היתוך הרבה יותר גדול מהשינוי באנרגיות הקשר לנוקלאון בתהליכי ביקוע. 20 Einstein's Big Idea part 1, part 2 The particle adventure - The fundamentals of matter and force הרצאות רלוונטיות במועדון האסטרונומי של אוניברסיטת ת"א שבעתיים כאור החמה – ממציאי פצצת האטום .מאת רוברט יונק ,הוצאת מחברות לספרות .1960