Modern Fizik · 2. Ünite: Relativistik Dinamik

Kütle ve Enerji Eşdeğerliği

Relativistik dinamikte kütle ile enerji ayrı korunan iki nicelik değil, aynı niceliğin iki yüzüdür: durgun hâlde bile her cismin $mc^2$ kadar enerjisi vardır. Bu konuda toplam enerji, kinetik enerji ve momentumu $E^2=(pc)^2+(mc^2)^2$ bağıntısıyla birleştirecek, kütle kusuru ve çekirdek reaksiyonlarındaki Q değerini kütle farkından hesaplayacaksınız. Sonunda bir bağlanma enerjisini, bir füzyon ya da fisyon enerjisini ve bir güneşin kütle kaybını birkaç satırda nicel olarak çıkarabilirsiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Güneş her saniye kütle kaybeder

  2. Tanımlar: Durgun Enerji, Toplam Enerji, Kinetik Enerji

  3. Türetme: Enerji–Momentum Bağıntısı

  4. Kütle Kusuru, Bağlanma Enerjisi ve Q Değeri

  5. Çözümlü Örnekler

  6. Sınır Durumları ve Yorum

  7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Durgun enerji (rest energy)
Parçacık durgunken sahip olduğu enerji, $E_0=mc^2$.
Toplam enerji (total energy)
$E=\gamma mc^2=K+mc^2$; momentumla $E^2=(pc)^2+(mc^2)^2$ ile bağlanır.
Kinetik enerji (kinetic energy)
$K=E-mc^2=(\gamma-1)mc^2$; $v\ll c$ sınırında $\tfrac12mv^2$.
Değişmez kütle (invariant mass)
Her çerçevede aynı olan $m=\sqrt{E^2-(pc)^2}/c^2$ niceliği; hıza bağlı değildir.
Kütle kusuru (mass defect)
Bağlı sistemin kütlesi ile serbest parçalarının kütle toplamı arasındaki fark.
Bağlanma enerjisi (binding energy)
Sistemi parçalarına ayırmak için gereken enerji; $B=\Delta m\,c^2$.
Q değeri (Q-value)
Bir tepkimede kinetik enerji değişimi; $Q=(\sum m_{\text{ilk}}-\sum m_{\text{son}})c^2$.
Birleşik atomik kütle birimi (u)
$^{12}\text{C}$ atomunun kütlesinin $1/12$'si; $1\,\text{u}=931{,}494\,\text{MeV}/c^2$.

Örnek soru

Kütlesi $1{,}00\,\text{g}$ olan bir cismin durgun enerjisi yaklaşık kaç joule'dür? ($c=2{,}998\times10^{8}\,\text{m/s}$)

  1. $9{,}0\times10^{13}\,\text{J}$
  2. $9{,}0\times10^{16}\,\text{J}$
  3. $4{,}5\times10^{13}\,\text{J}$
  4. $3{,}0\times10^{5}\,\text{J}$
  5. $9{,}0\times10^{10}\,\text{J}$

Doğru cevap: A

Çözüm

1. Durgun enerji $E_0=mc^2$.
2. Kütle SI birimine çevrilir: $m=1{,}00\times10^{-3}\,\text{kg}$.
3. $E_0=(1{,}00\times10^{-3})(2{,}998\times10^{8})^2=\mathbf{9{,}0\times10^{13}\,\text{J}}$.
$9{,}0\times10^{16}\,\text{J}$ değeri gram–kilogram dönüşümü unutulduğunda; $4{,}5\times10^{13}\,\text{J}$ ise durgun enerjiye yanlışlıkla $\tfrac12$ çarpanı konduğunda çıkar. Durgun enerji $\tfrac12mc^2$ değildir.

Modern Fizik: tüm konular