Conversia masa energie

ECHIVALENȚA MASĂ ENERGIE ȘI ABSURDITĂȚILE FIZICII MODERNE

 

Motto:

Câteodată, cu cât un lucru e mai frumos pe dinafară, cu atât e mai găunos pe dinăuntru. Faimoasa echivalență masă-energie se încadrează în cazul de mai sus. Este o formulă simplă şi uşor de recunoscut, dar consecințele ei sunt atât de absurde, încât o ştiință rațională nu ar lua niciodată în considerare această echivalență. Prezentul text este doar o introducere într-un domeniu larg de absurdități care sunt consecința echivalenței masă energie.

 

 

Cadrul formal

 

Echivalența masă-energie exprimată prin formula E=mc², pare a fi cea mai faimoasă formulă din fizică. Această echivalență postulată de teoria relativității restrânse arată că avem o proporționalitate între masa unui sistem fizic (m) şi energia lui (E), constanta de proporționalitate fiind egală cu pătratul vitezei luminii (c²).

Pentru fenomenele obişnuite (macroscopice), variația de masă preconizată de relația de mai sus este mult prea mică pentru a putea fi detectată. De aceea în lumea macroscopică consideram masa o mărime aditivă. Însă în conformitate cu teoria quantică coroborată cu teoria relativității restrânse, la nivel microscopic masa încetează să mai fie o mărime aditivă. Dacă considerăm atomul de hidrogen (protiu), masa acestuia este egală cu:

m_H= m_p+ m_e– E_legătură

unde m_p este masa protonului, m_e este masa electronului iar E_legătură este energia de legătură între proton şi electron.

În consecință masa atomului de hidrogen va fi mai mică decât suma maselor particulelor elementare care îl compun. În cazul hidrogenului energia de legătură este de 13,6 eVşi aceasta ar corespunde la o corecție de masă apropiată de 1 ppm (o parte la un milion):

Raportat la masa electronului care este m=9,1×10^-31 kg, mai putin de o parte din milion din masa electronului este transformată în energie atunci când un atom de hidrogen se formează din particule elementare.

Dacă trecem la fenomene nucleare, observăm că energiile de legătură au valori semnificativ crescute. În cazul deuteriului, cel mai simplu nucleu compus, format dintr-un proton şi un neutron avem:

m_D= m_p+ m_n– 2,2 MeV

În acest caz diferența de masă este:

 

Raportat la masa nucleonului care e de aproximativ m=1,6×10^-27 kg, un procent  de aproximativ 0,24% din masa nucleonilor este transformată în energie. Pentru alte elemente, unde energia de legătură este de aproximativ 8 MeV/nucleon, putem considera ca 1 %  din masa acestor nucleoni se transformă în energie atunci când acești nucleoni sunt încorporați în diverse nuclee.

În ultimul secol, fizica nucleară şi particulele elementare au devenit un câmp predilect de modelare teoretică si desigur că o multime de premii Nobel au fost acordate pentru aceste modele teoretice. Într-unul din a cestemodele, protonul sau neutronul nu sunt considerate particule elementare ci particule compuse, formate din cuarci. Desigur că între acesti cuarci a fost postulată existența unei forțe diferită de cele clasice (gravitatională, electromagnetică), care ține legați acesti cuarci împreună. Această interacțiune dintre cuarci are o caracteristică foarte neobisnuită: creşte cu distanța! În consecință nu se pot pune înevidență acesti cuarci prin spargerea protonului in bucăți; prin mijloace indirecte s-a estimat că masa cuarcilor contribuie cu 5% la masa unui proton, restul fiind atribuit energiei de legatura dintre acestia şi aici s/a postulat existența unei alteparticule elementare – gluonul.

Mai mult, o echipă de cercetare multinațională, sub patronajul Centrului Francez de Fizică Teoretică a reusit să verifice şi să confirme atât structura internă a protonului căt şi ecuația lui Einstein referitoare la interconversia între masă si energie ca două forme diferite de manifestare a materiei.

 

Energia de legătură a electronilor şi absurditatea relației  E=mc²

 

Să lăsăm deocamdata deoparte nucleul atomicşi problemele specifice pe care le ridică o abordare rațională a acestoraşi să ne concentrăm pe energiile de ionizare ale atomilor. Valorile acestor energii sunt bine cunoscute şi măsurate pe cale experimentală şi desigur că teoria cuantică a uitat să le dea o interpretare corespunzătoare (de fapt variatia energiilor de ionizare contrazice flagrant ideea cuantica - vezi variația energiei de ionizare), dar acest fapt nu e atat de important pentru subiectul actual.

În cazul hidrogenului, avem o energie de ionizare de câțiva eV, dar pentru elementele multistrat situația e un pic diferită. Un element ca Pb sau Bi poate avea pentru anumiți electroni energii de ionizare de ordinul a 0,1 MeV. Dacă corelăm aceste energii de ionizare cu masa electronilor putem observa că procentul din masa electronului care se transformă ân energie (conform teoriei relativității) devine apreciabil. În tab. 1 prezentăm valorile energiilor de ionizare peentru Bismut (Z=83) şi procentul din masa electronilor care se transformă în energie.

          

Tabelul 1. Proporția din masa electronilor convertită în energie pentru elementul Bismut

Nr.crt.	Zspecific	Eionizare(eV)	Eionizare(J)	∆m	Mreziduală%
1	83	102000	1.632E-14	1.816E-31	0.800447
2	82	100300	1.605E-14	1.786E-31	0.803773
3	81	25648	4.104E-15	4.566E-32	0.949822
4	80	24580	3.933E-15	4.376E-32	0.951912
5	79	23650	3.784E-15	4.210E-32	0.953731
6	78	23150	3.704E-15	4.121E-32	0.954709
7	77	20390	3.262E-15	3.630E-32	0.960109
8	76	19960	3.194E-15	3.554E-32	0.960950
9	75	19530	3.125E-15	3.477E-32	0.961791
10	74	19100	3.056E-15	3.400E-32	0.962633
11	73	9321	1.491E-15	1.659E-32	0.981764
12	72	9161	1.466E-15	1.631E-32	0.982077
13	71	8797	1.408E-15	1.566E-32	0.982790
14	70	8629	1.381E-15	1.536E-32	0.983118
15	69	7795	1.247E-15	1.388E-32	0.984750
16	68	7642	1.223E-15	1.361E-32	0.985049
17	67	7489	1.198E-15	1.333E-32	0.985348
18	66	7336	1.174E-15	1.306E-32	0.985648
19	65	6863	1.098E-15	1.222E-32	0.986573
20	64	6687	1.070E-15	1.191E-32	0.986918
21	63	6511	1.042E-15	1.159E-32	0.987262
22	62	6335	1.014E-15	1.128E-32	0.987606
23	61	6054	9.686E-16	1.078E-32	0.988156
24	60	5884	9.414E-16	1.048E-32	0.988489
25	59	5713	9.141E-16	1.017E-32	0.988823
26	58	5543	8.869E-16	9.868E-33	0.989156
27	57	5372	8.595E-16	9.564E-33	0.989490
28	56	5202	8.323E-16	9.261E-33	0.989823
29	55	3474	5.558E-16	6.185E-33	0.993203
30	54	3402	5.443E-16	6.057E-33	0.993344
31	53	3197	5.115E-16	5.692E-33	0.993745
32	52	3125	5.000E-16	5.564E-33	0.993886
33	51	2927	4.683E-16	5.211E-33	0.994274
34	50	2861	4.578E-16	5.094E-33	0.994403
35	49	2795	4.472E-16	4.976E-33	0.994532
36	48	2729	4.366E-16	4.859E-33	0.994661
37	37	2446	3.914E-16	4.355E-33	0.995215
38	47	2380	3.808E-16	4.237E-33	0.995344
39	46	2315	3.704E-16	4.121E-33	0.995471
40	45	2249	3.598E-16	4.004E-33	0.995600
41	44	2161	3.458E-16	3.847E-33	0.995772
42	43	2097	3.355E-16	3.733E-33	0.995897
43	42	2033	3.253E-16	3.619E-33	0.996023
44	41	1969	3.150E-16	3.505E-33	0.996148
45	40	1905	3.048E-16	3.392E-33	0.996273
46	39	1841	2.946E-16	3.278E-33	0.996398
47	38	1496	2.395E-16	2.664E-33	0.997072
48	36	1433	2.294E-16	2.552E-33	0.997195
49	35	1371	2.194E-16	2.441E-33	0.997318
50	34	1308	2.093E-16	2.329E-33	0.997441
51	33	1246	1.994E-16	2.218E-33	0.997562
52	32	1184	1.894E-16	2.108E-33	0.997684
53	31	1117	1.787E-16	1.989E-33	0.997815
54	30	1055	1.688E-16	1.878E-33	0.997936
55	29	993	1.590E-16	1.769E-33	0.998056
56	28	932	1.491E-16	1.659E-33	0.998176
57	27	870	1.393E-16	1.550E-33	0.998297
58	26	809	1.294E-16	1.440E-33	0.998417
59	25	747	1.196E-16	1.331E-33	0.998538
60	24	691	1.106E-16	1.231E-33	0.998648
61	23	658	1.054E-16	1.173E-33	0.998711
62	22	621	9.941E-17	1.106E-33	0.998784
63	21	547	8.765E-17	9.753E-34	0.998928
64	20	517	8.278E-17	9.211E-34	0.998988
65	19	464	7.426E-17	8.263E-34	0.999092
66	18	436	6.982E-17	7.769E-34	0.999146
67	17	408	6.538E-17	7.274E-34	0.999201
68	16	380	6.094E-17	6.781E-34	0.999255
69	15	288	4.610E-17	5.129E-34	0.999436
70	14	265	4.250E-17	4.729E-34	0.999480
71	13	243	3.888E-17	4.326E-34	0.999525
72	12	220	3.528E-17	3.926E-34	0.999569
73	11	195	3.123E-17	3.475E-34	0.999618
74	10	173	2.773E-17	3.085E-34	0.999661
75	9	151	2.422E-17	2.695E-34	0.999704
76	8	129	2.074E-17	2.307E-34	0.999746
77	7	107	1.723E-17	1.917E-34	0.999789
78	6	88.2	1.412E-17	1.572E-34	0.999827
79	5	56.0	8.961E-18	9.970E-35	0.999890
80	4	46.06	7.370E-18	8.200E-35	0.999910
81	3	25.56	4.090E-18	4.551E-35	0.999950
82	2	16.68	2.670E-18	2.971E-35	0.999967
83	1	7.28	1.166E-18	1.298E-35	0.999986

 

Cantitatea de masă converitită în energie (coloana 5) a fost calculată cu formula lui Einstein:

 iar masa reziduală (coloana 6), adică procentul din masa electronului care nu se transformă în energie a fost calulată cu formula:

 unde m_e este masa electronului în repaos adica m_e =9,1×10^-31 kg

Aşa cum se poate observa din tabel, pentru un electron situat pe primul strat, o cantitate de 1,816×10^-31 kg din totalul de 9,1×10^-31 kg (ceea ce reprezintă 20% din masa electronului in repaos), este convertită în energie. 

Pentru electronii situați pe straturi intermediare proporția de masă convertită în energie descreşte continuu, ajungând să fie nesemnificativă pentru ultimii electroni de valență.

Toate par a fi bune si frumoase, dar în acest moment, conform fizicii moderne avem două explicații complet diferite şi contradictorii pentru o singură mărime fizică experimentală.

Pe de o parte, electronii se mişcă în jurul nucleului datorită unor forțe coulumbiene şi desigur că există o posibilitate de a calcula această energie de interacțiune coulumbiană. Interacțiunea coulumbiană depinde de sarcina particulelor şi de distanța dintre ele. Este normal ca electronii situați pe primul strat, respectiv mai aproape de nucleu să aibă o interacțiune mai puternică şi pe măsură ce ne depărtăm de nucleu, această interacțiune să scadă progresiv. Chiar mecanica cuantică nu renunță la interacțiunea electrostatică între nucleu şi electroni, atât doar că îi dă o interpretare matematică mai complicată (în loc de funcții continui avem operatori ).

Pe de altă parte teoria relativității restrânse ne asigură că o parte din masa electronilor şi protonilor (un procent mai mare sau mai mic) se transformă în energie de legătură dintre electroni şi nucleu şi din această cauză sistemul devine stabil.

Din păcate ne exista nici un mecanism plauzibil care sa explice cum se transforma masa în energie. Nici teoria cuantica, nici teoria relativității nu oferă asemenea detalii iar motivul este foarte simplu: nimeni nu-si poate imagina macar cum ar fi posibil asa ceva....

Prezentul text toarnă încă un pic de gaz pe foc, pentru că aduce în discuție și alte detalii care ar trebui sa fie explicate de catre o teorie rațională a fizicii.

O intrebare simplă ar fi cum de este posibil ca diferite procente din masa electronilor respectiv protonilor sunt convertite în energie?

Poate că actualii teoreticieni ar trebui să dea o explicație clară a semnificației energiei de ionizare şi să elimine una din aceste explicații contradictorii; dar ei preferă să taie frunze la câini şi să toace banii publici pe cercetări absurde.

 

            Conversia masă energie şi ipoteza cuantică

 

Dacă luăm relația lui Einstein un pic la scuturat observăm că areşi alte hibe care conduc la alte consecințe absurde.

La nivel atomic, se presupune că fenomenele au un caracter discret sau discontinuu - întreaga mecanică cuantică e construită pe această ipoteză.

Nimeni nu a facut un studiu referitor la cuantificarea masei în cadrul proceselor cuantice.

Dacă admitem că formula E= mc²este corectă şi că energia la nivel atomic este cuantificată, înseamnă că şi masa (sau procentul din masa particulei care se transformă în energie) trebuie să fie un proces cuantic. Desigur că actualii teoreticieni au construit un model complex pentru nucleoni ca fiind alcătuiți din câțiva cuarci, dar au uitat să construiască un model similar pentru un electron.

           Să-i ajutăm puțin să vedem cam ce ar presupune un asemenea electron complex.

           Dacă reprezentăm grafic masa reziduală a electronilor (procentul de masă care nu se transformă ân energie) raportat la Z_specific pentru elemntul Bismut obtinem o variație ca în fig. 1.

 

 

 

Figura 1. Cuantificarea conversiei masa energie

 

După cum se observă din grafic și din tabelul 1, nu avem o variație cuantică a masei care se transfomă în energie, sau dacă avem o asemenea variație, cuanta de masă ar trebui să fie de ordinul a 10^-5părți din masa electronului. In consecință ar trebui să admitem că un electron e format din cel putin 10⁵ particule elementare.

Asta înseamnă că în vreme ce electronul ca atare efectuează salturi cuantice între diferite nivele electronice în cadrul unui simplu proces de excitare, simultan îşi converteşte o parte din masă în energie în mod continuu sau poate discontinuu.

Să considerăm câteva din tranzițiile electronice ale hidrogenului (tab. 2) şi să vedem la ce consecințe duc acestea pentru cuantificarea masei.

 

Tabelul 2. Nivelele de energie ale hidrogenului

Nivelul energetic	Energia (eV)
1	-13.6
2	-3.4
3	-1.51
4	-0.85
5	-0.54

 

Un electron care face un salt de pe nivelul 5 pe nivelul 4, îşi va modifica energia cu ∆E=0,85-0,54=0,31 eV.

Acestui salt cuantic al electronului îi corespunde o variație a masei electronului de: 

 

Δm =ΔE/c²= 5,5×10^-37 kg

 

Desigur că dacă luăm în considerare nivelele de IR din spectrul hidrogenului putem obține variații şi mai fine ale masei electrononului.

Insă, acceptând că valoarea de  5,5×10^-37 kg ar reprezenta o cuantă de masă, atunci un electron ar fi format din:

 

număr de cuante = 9,1×10^-31 / 5,5×10^-37  = 1,65 ×10⁶ 

 

Pe lângă actualul model al protonului, format din câțiva cuarci, un electron cu un milion de ,,particule elementare” în compoziția lui e impresionant!

Desigur actualii teoreticieni pot construi un alt model absurd care sa explice cum se face trecerea de la continuu la cuantic, dar .... ar trebui să aştepte puțin până apar şi alte materiale despre acest subiect.