Új Szó, 2018. április (71. évfolyam, 76-99. szám)
2018-04-06 / 79. szám
101 TUDOMÁNY ÉS TECHNIKA 2018. április 6. | www.ujszo.com A tömegenergia megmaradása Két atommag stabilitását úgy tudjuk könnyen összehasonlítani, ha az atommagok méretét is figyelembe vesszük, azaz egy nukleonra vonatkoztatjuk a kötési energiát (Fotó: Shutterstock) TUDOMÁNY A rejtélyes antianyag léte a tömegenergia megmaradásának egyik látványos bizonyítéka. Az elv a lényeget tekintve nem jelent többet, mint hogy a természetben lezajló folyamatokban testek tömegenergiája állandó. Ez a megmaradási elv ahhoz hasonló, mintha az anyagmegmaradás klasszikus elvét, amely tulajdonképpen tömegmegmaradásnak tekinthető, egyesítenénk az energiamegmaradás szintén klasszikus elvével, s kimondjuk azt az egyáltalán nem klasszikus elvet, hogy a két megmaradási tétel külön-külön általában nem érvényes, hanem csak együtt, egyfajta tömeg+energia megmaradásként. Mindez azt jelenti, hogy a relativitáselmélet szerint a folyamatok többségében sem a tömeg, sem az energia nem marad meg külön-külön, hanem csak az együttes megmaradás érvényes. Erre volt extrém példa a múlt számunkban az anyag-antianyag részecskepár találkozáskor bekövetkező szétsugárzása, hiszen ilyenkor az anyag és antianyag tömege hagyományos értelemben eltűnik, miközben látszólag a semmiből nagy mennyiségű energia keletkezik. De az eltűnt tömeg megegyezik a keletkező energiával az E=mc2 összefüggéssel összhangban, a tömegenergia megmaradt. Nézzünk meg, hogy alakul a tömegenergia megmaradása egy klasszikus ütközésnél. Két azonos sebességű és tömegű autó egymásnak rohan, összecsattannak és megállnak. Az ütközés pillanatában mozgási energiájukat elveszítik, de a relativitáselmélet szerint a roncs tömege nagyobb lesz egy kicsivel, mint a két autó tömegének összege, mellyel az ütközés előtt rendelkeztek külön-külön. Ez a tömegnövekedés az elveszettnek hitt mozgási energia értékével azonos. A roncs a deformáció következtében felmelegszik, az ütközés hanghullámot kelt. A hanghullám felszabadulása energia távozását jelenti, ahogy a roncs lehűlése is. Mindkét hatás csökkenti a roncs tömegét. S az ütközést követően nem sokkal a roncs tömege már meg fog egyezni a két autó ütközés előtti tömegének összegével, az ütközés pillanatában létrejövő tömegnövekedést felemészti a távozó energia. A klasszikus fizika szerint nem is volt tömegnövekedés ebben a folyamatban, hanem az autók mozgási energiája az ütközés során más energiaformákká (beleértve a hőt is) alakult. Második példánk már nem adja meg a lehetőséget a klasszikus értelmezésre. Vizsgálatunk tárgya egy héliumatommag. Az atommagok nukleonokból állnak, melyből két féle létezik. Az egyik a proton, mely egy pozitív töltésű részecske, töltése éppen egyenlő egy elektron töltésével. Egy atom éppen azért semleges, mert magjában annyi proton van, ahány elektron tartózkodik a mag külső környezetében, az elektronpályákon. Egy atommag protonjainak száma határozza meg az anyag nevét, a periódusos rendszerben elfoglalt helyét, az úgynevezett rendszámát. De az atommagban nemcsak protonok, hanem neutronok is találhatók. Ezek semleges részecskék. Számuk kisebb atommagoknál megegyezik a protonok számával, nagyobb atommagok esetében a neutronok túlsúlyba kerülnek a protonokhoz képest. A neutronok egy kicsit nagyobb tömegűek, mint a protonok, sőt, egy proton és egy elektron együttes tömegénél is nagyobbak egy kicsivel. Egy elektron egyébként majd 2000- szer kisebb tömegű, mint egy proton. Az említett héliumatommagban két proton és két neutron található. Őket az atommag nukleonjait összetartó, erős nukleáris kölcsönhatás tartja egyben. De vajon mit mondhatunk el a héliumatommag tömegéről? A klasszikus fizika nézőpontjából nehezen értelmezhető tény, hogy a héliumatommag tömege kisebb, mint az őt alkotó két szabad proton és neutron együttes tömege. Nem állítunk tehát kevesebbet, hogy a héliumatommag nevű összetett rendszer tömege kisebb, mint az őt felépítő alkatrészek tömegének összege. Ezt a meglepő eltérést nevezzük tömeghiánynak, vagy idegen szóval tömegdeffektusnak. Miből fakad és miről árulkodik a tömegdeffektus? Ha egy héliumatommagot összetevőire akarsz bontani, akkor ehhez energiát kell befektetned. A befektetett energia tömegként jelenik meg az összetevőkben. Azaz a szabad összetevők együttes tömege éppen annyival lesz nagyobb a kiinduló összetett atommag tömegénél, amennyi energiát be kellett fektetni az atommag szétszedése során. A tömegdeffektus nem pusztán annak bizonyítéka, hogy az energia és a tömeg megfeleltethető egymásnak, hanem egyben lehetőséget teremt energia mérésére tömegmérés segítségével. A héliumatommag tömege éppen annyival kisebb, mint a szabadon álló összetevőinek együttes tömege, mint amennyi energia ahhoz kell, hogy szétszedjük az atommagot összetevőire. Vagy másképpen fogalmazva, a héliumatommag tömeghiánya kötési energiájáról árulkodik. Ezen az úton közvetlen mérési lehetőség került kezünkbe az atommagok stabilitásának vizsgálatára. Két atommag stabilitását úgy tudjuk könnyen összehasonlítani, ha az atommagok méretét is figyelembe vesszük, azaz egy nukleonra vonatkoztatjuk a kötési energiát. Azt vizsgáljuk tehát, hogy az adott atommagból mekkora átlagos energiával lehetne egy nukleont kiszakítani. Minél nagyobb egy adott atommag esetében az egy nukleonra jutó kötési energia, az annál stabilabb, annál nehezebben alakul/alakítható át. A legstabilabb atommag a vas. A vasból elvileg lehet aranyat csinálni egy részecskegyorsitóban, csak nagyon drága jóval többe kerül, mint a keletkező arany maga. Az atommagok spontán átalakulását leíró folyamatok például a radioaktív bomlások, de ilyen a magfúzió és a maghasadás folyamata is. Ezen folyamatok mindegyikében lezajlanak a tömegenergia átalakulások, s rendre nagy energiák szabadulnak fel. Melyek azok az anyagok, melyekre ezek a folyamatok jellemzőek? A vastól messze találhatóak. Az egyik csoportjuk, a sokkal kisebb atommagok birodalmában, ilyenek például a hidrogén és hélium, a másik csoport a vasnál sokkal nagyobb atommagok birodalma, az urán és a nála nehezebb atommagok világa. A következő írásunkban a maghasadás hatalmas energiáival foglalkozunk. Horányi Gábor A grönlandi bálna muzikalitása egyedülálló a cetek világában A grönlandi bálna akár fél méter vastag jégpáncélt is képes áttörni, élettartama 200 év is lehet (Fotó: Shutterstock) MTI-HÍR A grönlandi bálna annyifále dallam kibocsátására képes, hogy muzikalitása egyedülálló a cetek világában - számolt be a BBC hírportálja egy új kutatás eredményéről. Sokáig a hosszú szárnyú bálna „éneke” kapta a legtöbb figyelmet, most azonban kiderült, hogy a Jegestenger vizében élő grönlandi bálna zenei repertoáija sokkal szélesebb. A Spitzbergák mellett élő bálnapopulációt vizsgáló kutatók kimutatták, hogy az állatok dallamos hívóhangjaik olyan változatosak lehetnek, mint az énekesmadaraké. Ez a tulajdonságuk egyedülállóvá teheti őket a cetek, talán még az emlősök között is. A kutatás három éve alatt a Spitzbergák közelében élő populáció 184 különböző dallamtípusát észlelték. A vokalizációkat napi 24 órán át, mindhárom év csaknem teljes téli időszakában regisztrálták. Az amerikai tudományos akadémia lapjában (PNAS) megjelent tanulmány vezető szerzője, Kate Stafford szerint a grönlandi bálnák ábécéjének több ezer betűje lehet. „A dalaik olyanok, mint a klasszikus zene, nagyon rendezettek. 20-30 percig is tarthat egy-egy ének, mert ugyan egy dallam hossza 45 másodpercestől a kétpercesig teljed, azt folyamatosan ismétlik” - magyarázta. A hosszú szárnyú bálnáról úgy tudni, ugyanazt a dallamot énekli egy évszakon keresztül, a grönlandinál egy-egy dallamtípus csak pár órán vagy napon át tart, mielőtt változna. Ugyan keveset tudni a grönlandi bálnáról, ám a szerzők úgy vélik, a hímek valószínűleg nem énekelnek a szaporodási időszakban. A grönlandi bálna akár fél méter vastag jégpáncélt is képes áttörni, élettartama 200 év is lehet. Bármennyire félelmetesnek tűnik, igen vastag zsírja miatt a Spitzbergák környékén élő populációra már az 1600-as évek óta vadásznak. Egyedszámuk lecsökkent, az életterüket jellemző zord természeti környezet pedig nem vonzotta a kutatókat, hogy tanulmányozzák őket, ezért őrizték sokáig titokzatosságukat. Az alaszkai őslakosoktól származó ismeretek miatt a nyugat-arktiszi populációt jobban ismeri a tudomány - mondta el a BBC-nek Stafford. A Spitzbergák melletti populáció nagyságát nem tudták megmérni, korábbi munkákra hagyatkozva úgy vélik, legalább 343-an vannak. A kutatók szeretnék az egyes példányok énekét megismerni, és arról is többet akarnak tudni, melyikük milyen céllal énekel. „Nehéz lesz ezt a rejtélyt megfejteni, ám az is nagy eredmény, hogy képesek vagyunk a jég alatt hallgatózni ezen az isten háta mögötti helyen” - tette hozzá Stafford.
