كيفية فهم معادلة تكافؤ الكتلة والطاقة

تنزيل المقال

تنزيل المقال

في أحد الأوراق العلمية لألبرت آينشتاين المنشورة سنة 1905، قُدّمت المعادلة التي توضح علاقة التكافؤ بين الكتلة والطاقة: ط=ك.س²، حيث "ط" هي الطاقة و"ك" هي الكتلة و"س" هي سرعة الضوء في الفراغ. أصبحت ط=ك.س² منذ ذلك الحين أحد أشهر المعادلات في العالم، حتى أن الأشخاص الذين ليس لديهم أي خلفية في الفيزياء لابد وأن يكونوا على الأقل قد سمعوا بها ولديهم فكرة عن حجم تأثيرها الاستثنائي على العالم الذي نعيش به، لكن هذا لا يعني أن معظم من سمعوا بالمعادلة يعرفون معناها. عند محاولة فهم المعادلة، لابد أولًا أن نعرف أنها توضح أن الكتلة والطاقة بينهما دائمًا ارتباط، وعندما تُشرَح بطريقة مبسطة نقول أن العلاقة المتبادلة بين الطاقة والمادة تُختصر بأن كلاهما ما هو إلا صورة مختلفة لنفس الشيء. لقد غيرت هذه المعادلة البسيطة نسبيًا مفهومنا عن الطاقة ومنحتنا الكثير من التطورات التقنية.

الخطوات

جزء 1

جزء 1 من 2:

فهم المعادلة

تنزيل المقال

1. 
   1
   عرّف متغيرات المعادلة. أول خطوة لفهم أي معادلة هي معرفة ما يرمز له كل متغير. في هذه الحالة: "ط" هي طاقة جسم في حالة السكون، و"ك" هي كتلة هذا الجسم، و"س" هي سرعة الضوء في الفراغ.

   • سرعة الضوء "س" هي ثابت في كل الأطر المرجعية وتساوي تقريبًا 3.00×10⁸ متر لكل ثانية. في سياق شرح نسبية آينشتاين، تقوم س² بدور عامل تحويل أكثر منها ثابت، ومن ثمّ يتم تربيعها كنتيجة للتحليل البُعدي - تقاس الطاقة بوحدة الجول أو كجم م² ث^-2، وبهذا تضمن إضافة س² الاتساق البُعدي في العلاقة بين الطاقة والكتلة.
2. 
   2
   افهم المقصود بالطاقة. هناك العديد من أشكال الطاقة، منها: الحرارية والكهربائية والكيميائية والنووية وغيرهم. تتحول الطاقة من نظام لآخر، مانحةً أحدهما قوة فيما تسحبها من الآخر.

   • الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم، لكنها تتحول من شكل إلى آخر. على سبيل المثال: يحتوي الفحم على قدر كبير من الطاقة الكامنة التي تتحول إلى طاقة حرارية عندما يُحرَق.
3. 
   3
   افهم معنى الكتلة. تُعرّف الكتلة عمومًا بأنها مقدار ما يحويه الجسم من مادة.

   • يوجد كذلك عدد من التعريفات الأخرى للكتلة، منها "الكتلة الساكنة" و"الكتلة النسبية". الكتلة الساكنة هي الكتلة التي لا يطرأ عليها تغيير أيًا كان إطارها المرجعي. أما الكتلة النسبية فهي تعتمد على السرعة المتجَّهة للجسم. الكتلة (ك) في معادلة ط=ك.س² هي الكتلة الساكنة. هذه الحقيقة مهمة للغاية لأنها تعني أن الكتلة التي تتعامل معها هنا لا تكبُر مع زيادة سرعتك على عكس الاعتقاد الشائع.
   • من المهم أن تعرف أن الكتلة مختلفة عن الوزن. الوزن هو تأثير قوة الجاذبية بالنسبة للجسم، أما الكتلة هي مقدار ما يحويه الجسم من مادة. لا تتغير الكتلة إلا بتغير الجسم فيزيائيًا، أما الوزن يتغير على حسب جاذبية البيئة الموجود بها الجسم. تُقاس الكتلة بالكيلوجرامات (كجم) ويقاس الوزن بوحدة نيوتن (ن).
   • الكتلة - مثل الطاقة - لا تفنى ولا تستحدث من العدم لكنها تتحول من شكل إلى آخر. على سبيل المثال: يذوب مكعب الثلج ويصبح سائلًا، لكنه يحتوي على نفس مقدار الكتلة في كلتا الحالتين.
4. 
   4
   ليكن في معلومك أن الكتلة والطاقة متكافئين. تنص المعادلة على أن الكتلة والطاقة هما نفس الشيء وتخبرك بمقدار الطاقة التي يحويها كمية معينة من الكتلة. فالمعادلة تشرح بالأساس أن قدرًا صغيرًا من الكتلة ممتلئ بطاقة مهولة الكم.

جزء 2

جزء 2 من 2:

تطبيق المعادلة في العالم الحقيقي

تنزيل المقال

1. 
   1
   افهم مصدر الطاقة القابلة للاستعمال. تأتينا معظم الطاقة القابلة للاستهلاك من احتراق الفحم والغاز الطبيعي. يستغل حرق هذه المواد إلكترونات التكافؤ التي تحتويها (الإلكترونات غير المقترنة في الغلاف الخارجي للذرة) والروابط التي تكونها هذه الإلكترونات مع العناصر الأخرى. تنكسر هذه الروابط عند إدخال الحرارة عليها وتُستعمَل الطاقة المنبعثة لإضاءة مدننا.

   • لا تعتبر هذه الطريقة هي الأمثل لحفظ الطاقة لأنها ليست عالية الكفاءة وتضر بالبيئة.
2. 
   2
   افهم إمكانية تطبيق معادلة آينشتاين لتحسين كفاءة حفظ الطاقة. تخبرنا المعادلة ط=ك.س² بأن نواة الذرة مُخزّن بها طاقة قدرها أكبر بكثير مما تحويه إلكترونات التكافؤ بها. الطاقة التي تنبعث من انشطار الذرة أكبر بكثير من طاقة كسر روابط الإلكترونات.

   • الطاقة النووية قائمة على هذا المبدأ، يتسبب المفاعل النووي بحدوث الانشطار (انشقاق الذرات) واستحواذه على كمية الطاقة الهائلة المنبعثة.
3. 
   3
   اكتشف التطورات التكنولوجية التي أصبحت ممكنة بسبب معادلة ط=ك س². مكنتنا المعادلة ط=ك.س² من إيجاد الكثير من التقنيات الجديدة والمثيرة، التي من بينها ما لا نستطيع تصور الحياة بدونه:

   • التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (يرمز له اختصارًا PET): تستخدم هذه التقنية النشاط الإشعاعي لرؤية ما بداخل الجسم.
   • مكنتنا المعادلة من تطوير الاتصالات مع الأقمار الصناعية والمتجولات الكوكبية (المسماة روفر).
   • التأريخ بالكربون المشع يستخدم الاضمحلال الإشعاعي بناءً على المعادلة لتحديد عمر الأجسام القديمة.
   • توفر الطاقة النووية لمجتمعاتنا مصادر طاقة أكثر كفاءة ونقاءً.