Har bir jami

1.1 Massaning saqlanish qonuni va uning ochilish tarixi
Fizika va kimyoda massaning saqlanish qonuni yoki massa saqlanish printsipi shuni ko'rsatadiki, modda va energiyaning barcha o'tkazmalari uchun yopiq har qanday tizim uchun tizimning massasi vaqt o'tishi bilan doimiy bo'lib qolishi kerak, chunki tizimning massasi o'zgarmaydi, shuning uchun miqdor. qo'shish ham, olib tashlash ham mumkin emas. Shuning uchun massa miqdori vaqt o'tishi bilan saqlanib qoladi.
Qonun massani yaratish yoki yo'q qilish mumkin emasligini anglatadi, garchi u kosmosda qayta joylashishi yoki u bilan bog'liq bo'lgan narsalar shakli o'zgarishi mumkin. Masalan, kimyoviy reaksiyalarda kimyoviy komponentlarning reaktsiyadan oldingi massasi reaksiyadan keyingi komponentlarning massasiga teng bo'ladi. Shunday qilib, izolyatsiya qilingan tizimda har qanday kimyoviy reaktsiya va kam energiyali termodinamik jarayonlarda reaktivlarning umumiy massasi yoki boshlang'ich materiallar mahsulot massasiga teng bo'lishi kerak.
Massani saqlash tushunchasi kimyo , mexanika va suyuqliklar dinamikasi kabi ko'plab sohalarda keng qo'llaniladi . Tarixiy jihatdan kimyoviy reaksiyalarda massa saqlanishini Mixail Lomonosov mustaqil ravishda ko‘rsatgan va keyinchalik 18-asr oxirida Antuan Lavuazye tomonidan qayta kashf etilgan. Ushbu qonunning ishlab chiqilishi alkimyodan zamonaviy tabiiy fanga o'tishda hal qiluvchi ahamiyatga ega edi .
Haqiqatda, massa saqlanishi faqat taxminan amal qiladi va klassik mexanikada bir qator farazlarning bir qismi hisoblanadi . Qonunni kvant mexanikasi va maxsus nisbiylik qonunlariga rioya qilish uchun massa-energiya ekvivalentligi printsipiga muvofiq o'zgartirish kerak , bu energiya va massa bitta saqlangan miqdorni tashkil qiladi. Juda energetik tizimlar uchun zarrachalar fizikasidagi yadro reaksiyalarida va zarracha-antipartikulyar annigilyatsiyada bo'lgani kabi faqat massa saqlanishi ko'rsatilgan .
Ochiq tizimlarda ham massa odatda saqlanmaydi . Bu energiya va materiyaning turli shakllari tizimga kirish yoki undan tashqarida bo'lganda sodir bo'ladi. Biroq, agar radioaktivlik yoki yadroviy reaktsiyalar ishtirok etmasa, issiqlik , mexanik ish yoki elektromagnit nurlanish kabi tizimlardan chiqib ketadigan (yoki kiradigan) energiya miqdori odatda tizim massasining pasayishi (yoki o'sishi) sifatida o'lchash uchun juda kichikdir. .
Katta tortishish maydonlarini o'z ichiga olgan tizimlar uchun umumiy nisbiylikni hisobga olish kerak; shunday qilib, massa-energiya saqlanishi murakkabroq tushunchaga aylanadi, turli ta'riflarga bo'ysunadi va na massa va na energiya maxsus nisbiylik nazariyasidagi kabi qat'iy va sodda tarzda saqlanmagan.
Formulyatsiya va misollar 
Massaning saqlanish qonuni faqat klassik mexanikada shakllantirilishi mumkin , bunda izolyatsiya qilingan tizim bilan bog'liq energiya shkalasi ancha kichik bo'ladi., qayerda- tizimdagi tipik ob'ektning massasi, ob'ekt tinch holatda bo'lgan mos yozuvlar doirasida o'lchanadi vayorug'lik tezligidir .
Qonun suyuqliklar mexanikasi va kontinuum mexanikasi sohalarida matematik tarzda shakllantirilishi mumkin , bu erda massa saqlanishi odatda differensial shaklda berilgan uzluksizlik tenglamasi yordamida ifodalanadi:
qayerda zichlik (hajm birligi uchun massa),vaqt,divergensiyadir va _oqim tezligi maydonidir. Massa uchun uzluksizlik tenglamasining talqini quyidagicha: tizimdagi berilgan yopiq sirt uchun sirt bilan o‘ralgan massaning istalgan vaqt oralig‘ida o‘zgarishi shu vaqt oralig‘ida sirtni kesib o‘tgan massaga teng: materiya ichkariga kirsa ijobiy, materiya tashqariga chiqsa manfiy. Butun izolyatsiya qilingan tizim uchun bu holat umumiy massani nazarda tutadi, tizimdagi barcha komponentlarning massalari yig'indisi, vaqt o'tishi bilan o'zgarmaydi, ya'ni
qayerdatizimning butun hajmi bo'yicha integralni aniqlaydigan differentsialdir .
`Massa uchun uzluksizlik tenglamasi suyuqlik dinamikasining Eyler tenglamalarining bir qismidir. Ko'pgina boshqa konveksiya-diffuziya tenglamalari ma'lum tizimdagi massa va moddalarning saqlanishi va oqimini tavsiflaydi.
Kimyoda kimyoviy reaksiyadagi reaktiv va mahsulotlar miqdorini hisoblash yoki stexiometriya massani saqlash printsipiga asoslanadi. Printsip kimyoviy reaktsiya paytida reaktivlarning umumiy massasi mahsulotlarning umumiy massasiga teng ekanligini nazarda tutadi. Masalan, quyidagi reaksiyada
CH₄+ 2 O₂→ CO₂+ 2 H₂O ,
bu erda bir molekula metan ( CH₄) va ikkita kislorod molekulasi O₂bir molekula karbonat angidridga aylanadi ( CO₂) va ikkita suv ( H₂O ). Reaksiya natijasida hosil bo'lgan molekulalar soni massani saqlash printsipidan kelib chiqishi mumkin, chunki dastlab to'rtta vodorod atomi, 4 ta kislorod atomi va bitta uglerod atomi mavjud (shuningdek, oxirgi holatda); Shunday qilib, hosil bo'lgan suv molekulalari soni har bir karbonat angidrid molekulasi uchun ikkita bo'lishi kerak.
Ko'pgina muhandislik muammolari vaqt o'tishi bilan berilgan tizimning ommaviy taqsimlanishiga rioya qilish orqali hal qilinadi; bu metodologiya ommaviy muvozanat sifatida tanilgan .


Rus olimi Mixail Lomonosov 1756 yilda tajribalar yo‘li bilan massa saqlanish qonunini ochdi va flogiston nazariyasi noto‘g‘ri degan xulosaga keldi. ^{[1] [2] [3]}
Antuan Lavuazyening massa saqlanish qonunini kashf etishi 19-asrda koʻplab yangi kashfiyotlarga olib keldi. Jozef Prustning aniq nisbatlar qonuni va Jon Daltonning atom nazariyasi Antuan Lavuazyening kashfiyotlaridan kelib chiqqan. Lavuazyening miqdoriy tajribalari shuni ko'rsatdiki, yonish ilgari flogiston deb hisoblangan narsadan ko'ra kislorod bilan bog'liq .
Miloddan avvalgi 520 yilda Mahavira ta'limotiga asoslangan yaratuvchi bo'lmagan falsafa bo'lgan Jain falsafasi [ ^4] koinot va uning tarkibiy qismlarini, masalan, materiyani yo'q qilish yoki yaratish mumkin emasligini aytdi. Jain matni Tattvarthasutra ( milodiy 2-asr) moddaning doimiy ekanligi, lekin uning usullari yaratilish va yo'q qilish bilan tavsiflanadi. ^[5]
Qadimgi yunon falsafasidagi muhim g'oya shundan iborat ediki, " Hech narsa yo'qdan paydo bo'lmaydi ", shuning uchun hozir mavjud narsa doimo mavjud bo'lgan: ilgari mavjud bo'lmagan yangi materiya paydo bo'lishi mumkin emas. Buning aniq ifodasi va hech narsa yo‘q bo‘lib o‘tib ketmasligi haqidagi keyingi tamoyil Empedoklda (mil. avv. 4-asrda) uchraydi: “Zero hech narsa bo‘lmagandan kelib chiqishi mumkin emas va u ham bo‘la olmaydi. paydo bo'lishi yoki eshitilishi kerak bo'lgan narsa butunlay yo'q qilinishi kerak." ^[6]
Taxminan eramizdan avvalgi 3-asrda Epikur tomonidan tabiatni muhofaza qilishning yana bir printsipi ta'kidlangan bo'lib , u olamning tabiatini tavsiflashda "narsalar yig'indisi har doim shunday bo'lgan va har doim shunday bo'ladi" deb yozgan. ^[7]
Kimyodagi kashfiyotlar 
18-asrga kelib kimyoviy reaksiyalar davomida massani saqlash tamoyili keng qoʻllanilgan va tajribalar davomida, hatto taʼrif rasman oʻrnatilgunga qadar ham muhim faraz boʻlgan ^[8] , buni Jozef Blek , Genri Kavendish va olimlarning asarlarida koʻrish mumkin. Jan Rey . ^[9] Bu tamoyilni birinchi boʻlib 1756-yilda Mixail Lomonosov bayon qilgan . U buni tajribalar orqali koʻrsatgan boʻlishi mumkin va 1748-yilda Leonhard Eyler bilan yozishmalarda bu tamoyilni muhokama qilgan boʻlishi mumkin ^[10] , garchi uning bu boradagi daʼvosi baʼzan eʼtirozga uchrasa ham. ^[11] [12]Sovet fizigi Yakov Dorfmanning fikricha:
Umumjahon qonuni Lomonosov tomonidan umumiy falsafiy materialistik mulohazalar asosida shakllantirilgan, u hech qachon shubha ostiga olinmagan va sinovdan o'tkazilmagan, aksincha, unga butun hayoti davomida barcha tadqiqotlarda mustahkam boshlang'ich pozitsiya bo'lib xizmat qilgan. ^[13]
Keyinchalik aniqroq tajribalar seriyasini Antuan Lavuazye o'tkazdi, u 1773 yilda o'z xulosasini bildirdi va massani saqlash tamoyilini ommalashtirdi. Prinsipning namoyishi yonish va issiqlik jarayonlarida massa olish yoki yo'qotish mumkin degan o'sha paytdagi mashhur flogiston nazariyasini rad etdi.
Massaning saqlanishi ming yillar davomida noma'lum edi, chunki Yer atmosferasining gazlar og'irligiga suzuvchi ta'siri. Misol uchun, yondirilgandan keyin yog'ochning og'irligi kamroq bo'ladi; Bu uning massasining bir qismi yo'qolib ketishi yoki o'zgarishi yoki yo'qolishi kabi tuyuldi. Bu zanglash kabi kimyoviy reaksiyalarning muhrlangan shisha ampulalarda sodir bo'lishiga yo'l qo'yadigan ehtiyotkorlik bilan tajribalar o'tkazilgunga qadar rad etilmadi; kimyoviy reaksiya muhrlangan idishning og'irligi va uning tarkibini o'zgartirmaganligi aniqlandi. 17-asrda vakuum nasosi ixtiro qilinmaguncha tarozi yordamida gazlarni tortish mumkin emas edi .
Massani saqlash alkimyodan zamonaviy kimyoga o'tishda katta ahamiyatga ega bo'lganini tushunib yetgan. Ilk kimyogarlar kimyoviy moddalar hech qachon yo'q bo'lib ketmasligini, balki faqat bir xil og'irlikdagi boshqa moddalarga aylanishini anglab etgach, bu olimlar birinchi marta moddalarning o'zgarishini miqdoriy tadqiqotlarga kirisha oldilar. Massani saqlash g'oyasi va ba'zi bir "element moddalar" kimyoviy reaktsiyalar natijasida boshqalarga aylantirilmaydi degan taxmin, o'z navbatida, kimyoviy elementlarni tushunishga olib keldi , shuningdek, barcha kimyoviy jarayonlar va o'zgarishlar (masalan, yonish kabi) va metabolik reaktsiyalar) - bu kimyoviy elementlarning o'zgarmas miqdori yoki og'irligi o'rtasidagi reaktsiyalar.
Lavoisierning kashshof ishidan so'ng, Jan Stasning to'liq tajribalari kimyoviy reaktsiyalarda ushbu qonunning izchilligini qo'llab-quvvatladi, ^garchi ular boshqa niyatlar bilan amalga oshirilgan bo'lsa ham. Uning tadqiqotlari ^[15] [16] shuni ko'rsatdiki, ba'zi reaktsiyalarda yo'qotish yoki daromad 100 000da 2-4 qismdan ko'p bo'lishi mumkin emas. ^[17] Bir tomondan Lavuazye va boshqa tomondan Morli va Stas tomonidan maqsad qilingan va erishilgan aniqlikdagi farq juda katta. ^[18]
Zamonaviy fizika 
Maxsus nisbiylik nazariyasi paydo bo'lishi bilan massaning saqlanish qonuniga qarshi chiqdi. 1905 yilda Albert Eynshteynning Annus Mirabilis maqolalaridan birida u massa va energiya o'rtasidagi ekvivalentlikni taklif qildi. Ushbu nazariya tizimning ichki energiyasi butun tizimning massasiga hissa qo'shishi yoki massa elektromagnit nurlanishga aylanishi mumkinligi haqidagi g'oya kabi bir nechta tasdiqlarni nazarda tutgan . Biroq, Maks Plank kabita'kidlanganidek, Eynshteyn nazariyasida bashorat qilinganidek, kimyoviy energiyani olish yoki qo'shish natijasida massaning o'zgarishi shunchalik kichikki, uni mavjud asboblar bilan o'lchab bo'lmaydi va uni maxsus nisbiylik sinovi sifatida taqdim etib bo'lmaydi. Eynshteyn yangi kashf etilgan radioaktivlik bilan bog'liq energiyalar , ularni hosil qiluvchi tizimlar massasi bilan solishtirganda, reaksiya energiyasi tizimdan olib tashlangandan so'ng, ularning massa o'zgarishini o'lchash imkonini beradigan darajada sezilarli ekanligini taxmin qildi. Bu keyinchalik 1932 yilda Kokkroft va Uolton tomonidan ko'rsatilgan birinchi sun'iy yadroviy o'zgarishlar reaktsiyasi bo'lsa ham, bu haqiqatan ham mumkin bo'ldi., bu Eynshteyn nazariyasining energiya ortishi bilan massa yo'qolishi haqidagi birinchi muvaffaqiyatli sinovini isbotladi.
Massaning saqlanish qonuni va shunga o'xshash energiya saqlanish qonuni nihoyat massa-energiya ekvivalentligi deb nomlanuvchi umumiyroq printsip bilan bekor qilindi . Maxsus nisbiylik nazariyasi, shuningdek, bir-birining o'rnida ishlatilishi mumkin bo'lgan va mos yozuvlar tizimiga nisbatan aniqlangan massa va energiya tushunchasini qayta belgilaydi. Konsistensiya uchun bir nechta miqdorlarni aniqlash kerak edi, masalan, zarrachaning qolgan massasi (zarrachaning dam olish doirasidagi massasi) va relativistik massa (boshqa ramkada). Oxirgi atama odatda kamroq qo'llaniladi.


Maxsus nisbiylik 
Maxsus nisbiylik nazariyasidagi massa
Maxsus nisbiylik nazariyasida, agar tizim ochiq bo'lsa va energiya chiqib ketsa, massaning saqlanishi qo'llanilmaydi. Biroq, u butunlay yopiq (izolyatsiya qilingan) tizimlar uchun amal qilishda davom etadi. Agar energiya tizimdan chiqib keta olmasa, uning massasi kamayishi mumkin emas. Nisbiylik nazariyasida har qanday turdagi energiya tizim ichida saqlanib qolgan ekan, bu energiya massani ko'rsatadi.
Bundan tashqari, massa materiyadan farqlanishi kerak , chunki izolyatsiyalangan tizimlarda materiya mukammal saqlanmagan bo'lishi mumkin , garchi bunday tizimlarda massa doimo saqlanib qolsa ham. Biroq, materiya kimyoda shunchalik deyarli saqlanib qolganki, moddaning saqlanishining buzilishi yadro davrigacha o'lchanmagan va moddaning saqlanishi haqidagi faraz kimyoda va yuqori energiyani o'z ichiga olmaydigan boshqa tadqiqotlarda muhim amaliy tushuncha bo'lib qolmoqda. radioaktivlik va yadro reaksiyalari .
Kimyoviy energiya miqdori bilan bog'liq massa o'lchash uchun juda kichik. Atomlar yoki massiv zarrachalar tashqariga chiqishi mumkin bo'lmagan, lekin boshqa turdagi energiya (masalan, yorug'lik yoki issiqlik) kirishi, chiqishi yoki birlashishi mumkin bo'lgan ochiq tizimlarning ayrim turlarining massasining o'zgarishi 19-asrda e'tibordan chetda qoldi. chunki kimyoviy reaksiyalarda kichik miqdordagi issiqlik yoki nurlanish energiyasini qo'shish yoki yo'qotish bilan bog'liq massa o'zgarishi juda kichik. (Issiqlik va ishlashga ruxsat berilmagan izolyatsiyalangan tizimlarda o'tkazilgan tajribalar uchun nazariy jihatdan massa umuman o'zgarmas edi.)
Agar energiya yo'qolmasa, massa saqlanishi to'g'ri bo'lib qoladi Relyativistik massaning saqlanishi bitta kuzatuvchining nuqtai nazarini (yoki bitta inertial ramkadan ko'rishni) nazarda tutadi, chunki inertial tizimlarning o'zgarishi tizimlar uchun umumiy energiyaning (relativistik energiya) o'zgarishiga olib kelishi mumkin va bu miqdor relativistik massani aniqlaydi.
Zarralar tizimining massasi ularning tinch massalari yig'indisiga teng bo'lishi kerakligi printsipi, garchi klassik fizikada to'g'ri bo'lsa ham, maxsus nisbiylik nazariyasida noto'g'ri bo'lishi mumkin . Tinch massalarni oddiygina qo'shib bo'lmasligining sababi shundaki, bunda energiyaning boshqa shakllari, masalan, kinetik va potentsial energiya va fotonlar kabi massasiz zarralar hisobga olinmaydi, ularning barchasi umumiy massaga ta'sir qilishi mumkin (yoki bo'lmasligi mumkin). tizimlari.
Tizimdagi massiv zarralarni harakatga keltirish uchun har xil zarrachalarning qolgan massalarini oʻrganish koʻplab turli inertial kuzatuv sistemalarini (agar tizimning umumiy energiyasi va impulsi saqlanishi kerak boʻlsa, bu taqiqlanadi), shuningdek, bittasining qolgan ramkasida boʻlganda ham kiritilishini anglatadi. zarracha, bu protsedura boshqa zarralar momentini e'tiborsiz qoldiradi, agar boshqa zarralar ushbu ramkada harakat qilsa, tizim massasiga ta'sir qiladi.
Invariant massa deb ataladigan maxsus massa turi uchun butun yopiq tizim uchun inertial kuzatish tizimini o'zgartirish tizimning o'zgarmas massasi o'lchoviga hech qanday ta'sir ko'rsatmaydi, u ham saqlanib qolgan, ham o'zgarmas (o'zgarmas) bo'lib qoladi, hatto uni ko'radigan turli kuzatuvchilar uchun ham. butun tizim. Invariant massa har qanday kuzatuvchi uchun o'zgarmas bo'lgan energiya va impulsning tizimli birikmasidir, chunki har qanday inertial tizimda turli zarralarning energiyalari va momentlari doimo bir xil miqdorga qo'shiladi (impuls manfiy bo'lishi mumkin, shuning uchun qo'shilish ayirish). O'zgarmas massa impuls ramkasining markazida ko'rilganda tizimning relativistik massasidir . Bu barcha mumkin bo'lgan inertial ramkalardan ko'rinib turganidek, tizim ko'rsatishi mumkin bo'lgan minimal massadir.
Relyativistik va o'zgarmas massaning saqlanishi hatto juft ishlab chiqarish natijasida yaratilgan zarralar tizimlariga ham taalluqlidir , bunda yangi zarralar uchun energiya boshqa zarralarning kinetik energiyasidan yoki boshqa zarralarni o'z ichiga olgan tizimning bir qismi sifatida bir yoki bir nechta fotonlardan kelib chiqishi mumkin. foton. Shunga qaramay, yangi zarrachalar hosil bo'lganda butunlay yopiq (ya'ni izolyatsiya qilingan) tizimlarning relyativistik yoki o'zgarmas massasi o'zgarmaydi. Biroq, turli inertial kuzatuvchilar, agar u relativistik massa bo'lsa (ya'ni, relativistik massa saqlanib qolgan, lekin o'zgarmas emas) bo'lsa, bu saqlangan massaning qiymati bo'yicha kelishmovchilik qiladi. Biroq, agar o'lchanayotgan massa o'zgarmas massa bo'lsa (ya'ni, o'zgarmas massa ham saqlanib qolgan, ham o'zgarmas bo'lsa) barcha kuzatuvchilar saqlangan massa qiymatiga rozi.
Massa-energiya ekvivalenti formulasi izolyatsiyalanmagan tizimlarda boshqacha bashorat beradi , chunki agar energiya tizimdan chiqib ketishiga ruxsat berilsa, relyativistik massa ham , o'zgarmas massa ham chiqib ketadi. Bunday holda, massa-energiya ekvivalenti formulasi , tizim massasining o'zgarishi energiya qo'shilishi yoki ayirilishi tufayli uning energiyasining o'zgarishi bilan bog'liqligini taxmin qiladi :O'zgarishlarni o'z ichiga olgan bu shakl ushbu mashhur tenglama dastlab Eynshteyn tomonidan taqdim etilgan shakl edi. Shu ma'noda, har qanday tizimdagi massa o'zgarishlari oddiygina tushuntiriladi, agar tizimdan qo'shilgan yoki chiqarilgan energiya massasi hisobga olinsa.
Formula, agar tizim bog'langandan keyin bog'lanish energiyasi tizimdan chiqib ketishiga ruxsat berilgan bo'lsa, bog'langan tizimlar o'zgarmas massaga (tizim uchun dam olish massasi) ularning qismlari yig'indisidan kichikroq bo'lishini nazarda tutadi. Bu tizimning potentsial energiyasini boshqa turdagi faol energiyaga aylantirish orqali sodir bo'lishi mumkin, masalan, kinetik energiya yoki bog'langan tizimdan osongina qochib ketadigan fotonlar. Ommaviy nuqson deb ataladigan tizim massalarining farqi bog'lanish energiyasining o'lchovidirbog'langan tizimlarda - boshqacha qilib aytganda, tizimni parchalash uchun zarur bo'lgan energiya. Ommaviy nuqson qanchalik katta bo'lsa, bog'lanish energiyasi shunchalik katta bo'ladi. Bog'lanish energiyasi (o'zi massaga ega) qismlar bog'langan tizimni hosil qilish uchun birlashganda (yorug'lik yoki issiqlik sifatida) chiqarilishi kerak va bu energiya tizimni tark etganda bog'langan tizimning massasi kamayib ketishining sababidir. ^[19] Qochib ketgan bogʻlanish energiyasining massasi hisobga olinsa, umumiy oʻzgarmas massa aslida saqlanib qoladi.