E=mc2 begrijpen

In een van Albert Einsteins revolutionaire wetenschappelijke artikelen gepubliceerd in 1905 werd de formule E=mc² geïntroduceerd, waarbij E de energie, m de massa, en c de lichtsnelheid is in een vacuüm.^[1]XBron Sindsdien is E=mc² uitgegroeid tot een van de beroemdste vergelijkingen ter wereld. Zelfs mensen zonder achtergrond in de fysica hebben in ieder geval wel eens gehoord van de vergelijking en zijn zich bewust van haar invloed op de wereld waarin die we leven. De meeste mensen weten echter niet precies wat de vergelijking betekent. In eenvoudige termen vertegenwoordigt de vergelijking de verhouding van energie ten opzichte van de massa: in wezen zijn energie en materie niet meer dan twee verschillende vormen van hetzelfde ding.^[2]XBron Deze relatief eenvoudige vergelijking heeft de manier waarop we denken over energie veranderd en ons voorzien van talrijke technologische ontwikkelingen.

Deel 1

Deel 1 van 2:

De vergelijking begrijpen

Pdf downloaden

1
De betekenis van de variabelen van de vergelijking. De eerste stap naar het begrijpen van een vergelijking is weten wat elke variabele betekent. In dit geval staat E voor de energie van een object in rust, m staat voor de massa van het object, en c voor de lichtsnelheid in een vacuüm.
- De snelheid van het licht (c), is constant in alle referentiekaders en ongeveer gelijk aan 3,00x10⁸ meter per seconde. In het kader van Einsteins relativiteitstheorie fungeert de c² meer als een eenheidsconversie dan als een constante. Als zodanig wordt het gekwadrateerd als gevolg van de dimensieanalyse – energie wordt gemeten in joule, of kg m² s^-2, en dus zal het erbij optellen van c² ervoor zorgen dat de relatie tussen energie en massa dimensionaal consistent is.
2
Begrijp wat er wordt bedoeld met energie. Er zijn veel verschillende vormen van energie, waaronder thermische, elektrische, chemische en nucleaire energie.^[3]XBron Energie wordt overgedragen tussen systemen, waarbij het ene systeem energie krijgt welke wordt afgenomen van andere systemen.
- Energie kan niet worden gemaakt of vernietigd, het kan alleen een andere vorm aannemen. Steenkool heeft bijvoorbeeld een heleboel potentiële energie dat verandert in thermische energie als het wordt verbrand.
3
Definieer wat massa betekent. Massa wordt algemeen gedefinieerd als de hoeveelheid materie in een object.^[4]XBron
- Er zijn ook een paar andere definities van massa. Er is zoiets als 'invariante massa' en 'relativistische massa'. Invariante massa is massa die ongewijzigd blijft, ongeacht het referentiekader. Relativistische massa is daarentegen juist afhankelijk van de snelheid van het object. In de vergelijking E=mc², verwijst m naar de invariante massa. Dit is zeer belangrijk, omdat dit inhoudt dat je massa niet toeneemt als je sneller beweegt, in tegenstelling tot wat men vaak denkt.
- Het is belangrijk te begrijpen dat massa en gewicht verschillend zijn. Gewicht is de zwaartekracht welke een object ondervindt, terwijl de massa de hoeveelheid materie is in dat object. Massa kan alleen wijzigen als het object fysiek wordt gewijzigd, terwijl het gewicht afhankelijk is van de zwaartekracht van de omgeving van het object. Massa wordt gemeten in kilogram (kg), terwijl het gewicht wordt gemeten in Newton (N).
- Net zoals energie, kan massa niet worden gemaakt of vernietigd, maar het kan wel veranderen van vorm. Bijvoorbeeld, een ijsblokje kan smelten en een vloeistof worden, maar heeft in beide toestanden dezelfde massa.
^[5]XBron De vergelijking stelt dat massa en energie hetzelfde zijn en geeft aan hoeveel energie er aanwezig is binnen een bepaalde hoeveelheid massa. In wezen geeft de vergelijking aan dat een kleine hoeveelheid massa een grote hoeveelheid energie bevat.^[6]XBron
Advertentie

Deel 2

Deel 2 van 2:

De toepassing van de vergelijking in de echte wereld

Pdf downloaden

1
Begrijp waar bruikbare energie vandaan komt. De meeste van onze verbruikbare energie komt vrij bij het stoken van kolen en aardgas. Door deze stoffen te verbranden wordt gebruik gemaakt van de aanwezige valentie-elektronen (ongepaarde elektronen in de buitenste schil van een atoom) en de banden die ze met andere elementen maken. Wanneer warmte wordt toegevoegd, breken deze banden en komt er energie vrij die wordt gebruikt voor het van energie voorzien van onze samenleving.
- Het verkrijgen van energie op deze manier is niet erg efficiënt en gaat ten koste van het milieu.
2
Pas Einsteins vergelijking toe om energieomzetting efficiënter te maken. E=mc² vertelt ons dat er veel meer energie opgeslagen in de kern van een atoom dan in haar valentie-elektronen.^[7]XBron De energie die vrijkomt uit het splitsen van een atoom is veel hoger dan die van het breken van elektronenbindingen.
- Kernenergie is gebaseerd op dit principe. In kernreactoren kan kernsplijting (de splitsing van atomen) plaatsvinden en kan de enorme hoeveelheid energie die vrijkomt worden opgeslagen.
3
Ontdek de technologieën die mogelijk zijn gemaakt door E=mc². E=mc² heeft de ontwikkeling mogelijk gemaakt van vele nieuwe en opwindende technologieën, en sommige van deze zijn niet meer weg te denken uit ons leven:^[8]XBron
- PET-scans gebruiken radioactiviteit om in het lichaam te kijken.
- De vergelijking maakte de ontwikkeling mogelijk van telecommunicatie met satellieten en rovers.
- C14-datering maakt gebruik van radioactief verval op basis van deze vergelijking, om de leeftijd van zeer oude objecten te bepalen.
- Kernenergie biedt onze samenleving schonere en efficiëntere energiebronnen.
Advertentie