Năng lượng và Động lượng Tương đối tính

Trong thuyết tương đối hẹp, năng lượng và động lượng kết hợp thành một bốn-vectơ duy nhất có độ dài bất biến là khối lượng nghỉ, tạo ra mối quan hệ nổi tiếng E = mc^2 và một đại lượng được bảo toàn cho tất cả các quá trình tốc độ cao.

Definition

Năng lượng và động lượng tương đối tính là các thành phần thời gian và không gian của bốn-vectơ năng lượng-động lượng p = (E/c, p), với tổng được bảo toàn chi phối động lực học hạt và độ lớn bất biến của nó bằng khối lượng nghỉ nhân với c.

Scope

Chủ đề này bao gồm các định nghĩa tương đối tính về động lượng và năng lượng, bốn-vectơ năng lượng-động lượng, mối quan hệ bất biến E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2, năng lượng nghỉ và sự tương đương khối lượng-năng lượng, hành vi của các hạt không khối lượng như photon, và sự bảo toàn của bốn-động lượng trong các va chạm, phân rã và phản ứng.

Core questions

• Động lượng và năng lượng phải được định nghĩa lại như thế nào để các định luật bảo toàn vẫn đúng trong mọi hệ quy chiếu quán tính?
• E = mc^2 có ý nghĩa gì đối với một vật thể đứng yên, và năng lượng bổ sung vào khối lượng như thế nào?
• Làm thế nào các hạt không khối lượng như photon có thể mang động lượng và năng lượng?

Key concepts

• Động lượng tương đối tính
• Năng lượng nghỉ và khối lượng nghỉ
• Bốn-vectơ năng lượng-động lượng
• Bất biến E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2
• Các hạt không khối lượng
• Bảo toàn bốn-động lượng

Key theories

Bốn-vectơ năng lượng-động lượng

Năng lượng và động lượng là các thành phần của một bốn-vectơ duy nhất biến đổi theo phép biến đổi Lorentz, do đó tổng bốn-động lượng được bảo toàn trong mọi hệ quy chiếu và độ lớn bất biến của nó là khối lượng nghỉ.

Sự tương đương khối lượng-năng lượng

Một vật thể đứng yên sở hữu năng lượng nghỉ E = mc^2, và bất kỳ sự thay đổi nào trong năng lượng nội tại của nó đều làm thay đổi khối lượng tương ứng, do đó khối lượng là một dạng năng lượng và cả hai có thể chuyển đổi cho nhau trong các quá trình hạt nhân và hạt cơ bản.

Clinical relevance

Sự tương đương khối lượng-năng lượng là nền tảng của việc giải phóng năng lượng trong phân hạch và tổng hợp hạt nhân, sự tạo thành và hủy diệt các cặp hạt-phản hạt trong các máy gia tốc và trong hình ảnh PET, cũng như việc tính toán năng lượng liên kết giải thích tại sao các ngôi sao phát sáng và tại sao một số hạt nhân lại ổn định.

History

Bài báo tiếp theo ngắn gọn năm 1905 của Einstein đã suy ra rằng một vật thể phát ra năng lượng sẽ mất khối lượng, tạo ra sự tương đương khối lượng-năng lượng; mối quan hệ này đã được Planck và những người khác làm rõ và được vật lý hạt nhân xác nhận một cách dứt khoát vào những năm 1930, nơi các năng lượng liên kết đo được phù hợp với các khuyết tật khối lượng.

Key figures

• Albert Einstein
• Max Planck
• Gilbert N. Lewis

Seminal works

• einstein1905b
• rindler2006

Frequently asked questions

Khối lượng của một vật thể có tăng lên khi nó tăng tốc không?

Cách dùng hiện đại giữ khối lượng là khối lượng nghỉ bất biến và gán sự tăng trưởng của quán tính ở tốc độ cao cho năng lượng và động lượng tương đối tính đang tăng; ngôn ngữ 'khối lượng tương đối tính' cũ hơn mô tả cùng một vật lý nhưng hiện nay thường được tránh.

Làm thế nào một photon có thể có động lượng nếu nó không có khối lượng?

Mối quan hệ bất biến E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2 giảm xuống thành E = pc đối với một hạt không khối lượng, do đó một photon mang động lượng tỷ lệ với năng lượng của nó, điều này làm cho áp suất bức xạ và tán xạ Compton trở nên khả thi.