Енергія: види та використання

Окрім вищевказаних властивостей, елементарні частинки й античастинки володіють енергією (від грец. епег^е'ш - дія, дія­льність). Енергія визначається як загальна кількісна міра різних форм руху матерії. Кожна елементарна частинка (античастинка), володіючи певною кількістю енергії, може її втрачати, передаю­чи іншій частинці, або ж отримувати додаткову кількість енергії від інших. Саме цим енергія відрізняється від інших властивос­тей елементарних частинок. Величина енергії елементарної час­тинки залежить від її маси спокою (енергія спокою), швидкості руху частинки відносно її оточення (кінетична енергія) й від то­го, чи частинка знаходиться в системі (енергія зв'язку). Енергія спокою визначається за відношенням: Е₍₎- т„ с~, де т₀ - маса спокою елементарної частинки, ас- швидкість світла у вакуумі.

Одиницями енергії є електронвольт (єВ) - це кількість енергії, яку набуває заряд в одну елементарну одиницю (наприклад, елект­рон) при проходженні різниці потенціалів в 1 вольт (1,610'^І9к). Енергія елементарних частинок найчастіше виражається в мега- електронвольтах (1 МеВ = Ш⁶ еВ). Однак кількість енергії можна виражати йу джоулях чи ергах(1 еВ = 1,6Т0 ^Ічдж; 1 ерг= 10⁷дж).

Енергія елементарних частинок може збільшуватись, якщо вони прискорюються. Загальна кількість енергії такої елемента­рної частинки складається з енергії спокою й кінетичної енергії:

(де V - швидкість руху елементарної частинки відносно її ото­чення). Для частинок, швидкість яких -100000 км/с (релятивіст­ські частинки), теорія відносності визначає енергію як

оскільки при наближенні V до с - знаменник прямує до нуля, дріб зростає. У Всесвіті не існує енергії, яка б розігнала частин­ки, які володіють масою спокою (т₀), до швидкості світла (с), тому всі ці частинки не можуть рухатись зі швидкістю світла. Це явище називають "товстінням” частинок.

Частинки можуть отримувати енергію різними способами: при співударянні;

в електричному полі (рентгенівська лампа); в гравітаційному полі (вільне падіння); в електромагнітному полі; при радіоактивному розпаді; в прискорювачах; при вибухах наднових зірок; в пульсарах тощо.

Лише фотони мають такі швидкості, оскільки не володіють масою спокою. їх енергія обчислюється за формулою: Е-іі-у, де И

• стала Планка, V - частота коливання фотонів. Звідси випливає, що чим більша частота, тим більша енергія фотонів. Із нині відо­мих фотонів, які реєструються на Землі й надходять із далекого космосу, найбільшою енергією володіють гамма-фотони, що

складає 10¹⁷ еВ. Найменшу енергію мають, так звані, фосільні фо­тони - ~ 10 Ми⁴ еВ. У Всесвіті фотонів набагато більше (у два мільйони разів), ніж елементарних частинок з масою спокою.

Енергію спокою елементарної частинки можна зменшити - за рахунок віддачі частини її енергії оточенню. Оскільки зменшу­ється Еп то зменшується і т„. тобто частинка “худне" (не явище також називають дефектом маси). Частину втраченої енергії спокою називають енергією за язку частинок. Частинка віддає енергію (вивільнену) лише в тому випадку, коли утворює систе­му, тобто вона платить системі за місце в ній. Отже сила взає­модії між елементарними частинками в змозі вивільнити части­ну їхньої енергії спокою. Величина цієї кількості енергії зале­жить від способу вивільнення енергії (Табл. 1).

Таблиця 1.

С илк	Спосіб вивільнення	Кількість вивільненої енергії спокою %
Електромаг­ нітна	спалювання	0,0000001
Розщеплення	атомні станції	0,1
Синтезу	зірки (воднева бомба)	0,9
Гравітаційна	масивні зірки, компактні ядра галактик	50
Анігіляція	ч асти нка-античастин ка речовина-ангиречовина	100

При спалюванні одного кілограма горючих речовин (вугілля, нафта, дрова, торф тощо) за рахунок реакцій окиснення можна вивільнити лише 5 квт-год, в той час як енергія спокою цього ж кілограма речовин становить -

Е₍₎=9-1 (Ґ’дж=25000000000 квт-год.

Решта енергії залишається у відходах (попіл, дим тощо).

У результаті різноманітних перетворень, між фотонами й елементарними частинками постійно проходить обмін енергією. Однак енергія не може виникнути ні з чого й так само зникнути. Її кількість завжди залишається постійною - це закон збережен­ня енергії.