ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ВЕЩЕСТВА
Коли М. В. Ломоносов і А. Лавуазьє формулювали закон збереження речовини, вони представляли його собі як закон збереження маси. Повна маса всіх складових частин на початку хімічної реакції дорівнює масі в кінці її, які б реакції не відбувалися. Крім того, в хімічній реакції не змінюється кількість атомів будь-якого бере участь в ній елемента - атоми елементів тільки переходять від однієї молекули до іншої.
У XX ст. цей закон був істотно уточнено, так як у багатьох випадках він виявився неправильним. Розберемо порушення цього закону на прикладі перетворення водню в гелій.
Ядро атома одного з ізотопів складається з двох протонів і одного нейтрона. Простежимо за реакцією його освіти. Таку реакцію можна здійснити в два етапи. Спочатку, опромінюючи водень нейтронами, можна отримати дейтон - ядро, що складається з нейтрона і протона. Коли до такого ядру приєднується електрон, виходить атом водню, але з масою, в два рази більшої маси звичайного атома. Якщо опромінити воду, що містить важкий водень (важку воду), протонами, то будуть виходити ядра ізотопу гелію. При цьому виділяється величезна енергія, яка йде в формі квантів, т. Е. Електромагнітних хвиль.
Звідки ця енергія береться? Ядерні частинки - нуклони (нейтрони і протони) - притягуються один до одного ядерними силами, які діють тільки на малих відстанях, приблизно см, зате на цих відстанях вони незрівнянно більше всіх інших відомих нам сил.
При з'єднанні нейтрона і протона в дейтон ці частинки прискорюються, а будь-яка заряджена частинка при прискоренні випромінює електромагнітні хвилі.
Отже, було два протона і нейтрон, а вийшло ядро гелію і величезна енергія, яка виділилася в формі квантів (див. Гамма-випромінювання).
Ось тут і загубилася маса. Молекулярна маса протона дорівнює маса нейтрона, а маса ядра гелію. Тут обрана така одиниця маси, при якій атомна маса ізотопу вуглецю дорівнює 12. Отже,
Якщо масу приписувати тільки нейтрону, протону і гелію, то закон збереження маси порушиться.
Для збереження цього закону потрібно приписати масу також і гамма-випромінювання. Тут ми зіткнулися з окремим випадком загального закону природи, відкритого А. Ейнштейном: маса тіла змінюється зі зміною його енергії, в якій би формі ця енергія ні містилася. Маса М пов'язана з енергією Е наступною формулою:
(Тут з - швидкість світла), тому і - маса квантів дорівнює:
де - енергія квантів.
Тепер закон збереження маси відновлюється, або, краще сказати, об'єднується з законом збереження енергії. Справді, якщо покоїться протону приписати енергію а нейтрону, то, примножуючи формулу для рівності мас на, отримаємо закон збереження енергії:
Зауважимо, що в реакції електричний заряд двох протонів якраз дорівнює заряду Чи не (нейтрон- частка, яка не має заряду).
Крім того, число нуклонів зліва дорівнює числу нуклонів справа. Щоб підкреслити ці закони збереження, ядерну реакцію записують у вигляді:
Верхні значки дають число ядерних частинок, що беруть участь в реакції, а нижні - електричний заряд, виражений через заряд електрона. Сума верхніх значків зліва і справа дорівнює так само, як і сума нижніх.
Таким чином, закон збереження маси після того, як було встановлено зв'язок маси з енергією, перетворився в закон збереження енергії. Що ж стосується збереження кількості атомів хімічних елементів, то цей закон зовсім не дотримується в ядерних реакціях (водень перетворився на гелій). Замість нього діють у всіх випадках два закони збереження: закон збереження заряду і закон збереження числа нуклонів, або, точніше, числа баріонів, який називається законом збереження б а-Ріоні заряду.