ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ВЕЩЕСТВА

Когда М. В. Ломоносов и А. Лавуазье формулировали закон сохранения вещества, они представляли его себе как закон сохранения массы. Полная масса всех составных частей в начале химической реакции равняется массе в конце ее, какие бы реакции ни происходили. Кроме того, в химической реакции не изменяется количество атомов любого участвующего в ней элемента — атомы элементов только переходят от одной молекулы к другой.

В XX в. этот закон был существенно уточнен, так как во многих случаях он оказался неправильным. Разберем нарушение этого закона на примере превращения водорода в гелий.

Ядро атома одного из изотопов Не³ состоит из двух протонов и одного нейтрона. Проследим за реакцией его образования. Такую реакцию можно осуществить в два этапа. Сначала, облучая водород нейтронами, можно получить дейтон — ядро, состоящее из нейтрона и протона. Когда к такому ядру присоединяется электрон, получается атом водорода, но с массой, в два раза большей массы обычного атома. Если облучить воду, содержащую тяжелый водород (тяжелую воду), протонами, то будут получаться ядра изотопа гелия Не³. При этом выделяется громадная энергия, которая уходит в форме γ-квантов, т. е. электромагнитных волн.

Откуда эта энергия берется? Ядерные частицы — нуклоны (нейтроны и протоны) — притягиваются друг к другу ядерными силами, которые действуют только на малых расстояниях, приблизительно 10^-13 см, зато на этих расстояниях они несравненно больше всех других известных нам сил.

При соединении нейтрона и протона в дейтон эти частицы ускоряются, а всякая заряженная частица при ускорении излучает электромагнитные волны.

Итак, было два протона и нейтрон, а получилось ядро гелия и огромная энергия, которая выделилась в форме γ-квантов (см. Гамма-излучение ).

Вот тут и потерялась масса. Молекулярная масса протона равна М_p = 1,00728, масса нейтрона М_n = 1,00867, а масса ядра гелия М_Не³ = 3,01636. Здесь выбрана такая единица массы, при которой атомная масса изотопа углерода ¹²С равна 12. Следовательно,

2 М_p + М_n = М_Не³ + М_γ.

2•1,00728 + 1,00867 = 3,02323 = 3,01636 + М_γ.

Если массу приписывать только нейтрону, протону и гелию, то закон сохранения массы нарушится. Для сохранения этого закона нужно приписать массу также и гамма-излучению. Здесь мы столкнулись с частным случаем общего закона природы, открытого А. Эйнштейном: масса тела изменяется с изменением его энергии, в какой бы форме эта энергия ни содержалась. Масса М связана с энергией Е следующей формулой:

M=E/c²

(здесь с — скорость света), поэтому и М_γ — масса γ-квантов равна:

М_γ = E_γ / c²,

где E_γ — энергия γ-квантов.

Теперь закон сохранения массы восстанавливается, или, лучше сказать, объединяется с законом сохранения энергии. В самом деле, если покоящемуся протону приписать энергию E_p а нейтрону E_n, то, умножая формулу для равенства масс на c², получим закон сохранения энергии:

2E_p + E_n = E_Не³ + E_γ.

Заметим, что в реакции электрический заряд двух протонов как раз равен заряду Не (нейтрон— частица, не имеющая заряда).

Кроме того, число нуклонов слева равно числу нуклонов справа. Чтобы подчеркнуть эти законы сохранения, ядерную реакцию записывают в виде:

2₁¹р + ₀¹n = ₂³Не + γ.

Верхние значки дают число ядерных частиц, участвующих в реакции, а нижние — электрический заряд, выраженный через заряд электрона. Сумма верхних значков слева и справа равна так же, как и сумма нижних.

Таким образом, закон сохранения массы после того, как была установлена связь массы с энергией, превратился в закон сохранения энергии. Что же касается сохранения количества атомов химических элементов, то этот закон совсем не соблюдается в ядерных реакциях (водород превратился в гелий). Вместо него действуют во всех случаях два закона сохранения: закон сохранения заряда и закон сохранения числа нуклонов, или, точнее, числа барионов, который называется законом сохранения барионного заряда.