יום שני, 21 באוגוסט 2017

האם מסה היא כמות החומר?


במקומות רבים אני מוצא שהמסה מוגדרת בתור כמות החומר. אני משער שהגדרה זו באה להבחין בין מסה למשקל ולהראות שמסה היא תכונה שלא תלויה במקום שבו נערכת המדידה, כלומר היא תישאר זהה על פני כדור הארץ, על פני הירח ובחלל. אבל מה זה בעצם אומר "כמות החומר"?

הגדרה מדעית טובה צריכה לספק מידע על המושג שיאפשר לנו להבין אותו ולהשתמש בו בצורה נכונה. אני מצפה שההגדרה של מסה תאמר לנו אילו תכונות של עצמים יכולים לנבוע ממושג המסה ואולי אפילו תרמז על שיטות שבהן נוכל להשתמש על מנת למדוד אותה. אני מוצא כמה בעיות עם הגדרת המסה ככמות החומר.

הבעיה המרכזית בעיני היא שלמילה "כמות" יש כמה משמעויות, ועל כן השימוש במילה זו בהגדרה איננו חד משמעי. ראשית, "כמות" מתארת ערך של גדלים פיזיקליים בעזרת יחידות מדידה, למשל: כמות האנרגיה שצרכנו החודש היא 500 קוט"ש, כמות הזרם במעגל החשמלי היא 2 אמפר. שנית, משתמשים במילה "כמות" לציין תכונות בסיסיות של עצמים כמו נפח ומשקל. אנו יכולים לומר כמות החלב בכד היא 2 ליטר וכמות העגבניות שקנינו היא 3 קילוגרם-כוח. באותו הקשר, רווח גם השימוש במילה "כמות" לציון מסה, אבל זה לא עוזר לנו כי אם אנו כבר מגדירים כמות בתור מסה הרי שאם נגדיר מסה בתור כמות נקבל הגדרה מעגלית.

הערה: אמנם בחיי היומיום משתמשים בק"ג כיחידת משקל אך בשפה מדעית יש לייחד את הקילוגרם למסה ולהשתמש ביחידת הניוטון או ביחידת ק"ג-כוח למשקל. אני מוצא שהשימוש ביחידה ק"ג-כוח הוא נוח במיוחד משום שזה המשקל שפועל על מסה של ק"ג אחד על פני כדור הארץ.

כיוון שלישי הוא לייחס את המילה "כמות" למספר יחידות בתוך שלם, למשל כמות הדפים בערימה, ובפרט אנו מזהים מילה זו עם מספר החלקיקים המרכיבים גוף מסוים. כאן המקום להוסיף שלכמות חומר המתייחסת למספר החלקיקים כבר יש שם מדעי: מול. מול אחד של חומר כלשהו מתאים למספר מוגדר של חלקיקי החומר. מספר זה קרוי קבוע אבוגדרו ומדובר במספר עצום של חלקיקים: בערך 6 ואחריו 23 אפסים שזה יותר ממיליארד כפול מיליארד כפול מאה אלף.

אבל לצורך הדיון בואו נניח שגם המסה מתייחסת למספר החלקיקים. הגדרה זו אינה שלמה כי עדיין חסרה הגדרה בסיסית למושג המסה שתאפשר לנו להבין מה המשמעות שחלקיק יסודי אחד מסיבי יותר ממשנהו. במילים אחרות, מספר החלקיקים לא נותן לנו את המסה מבלי שנדע את המסה של החלקיקים היסודיים שמהם מורכב החומר: אלקטרון, פרוטון ונייטרון.

יתרה מכך, מסה של אטום בודד איננה סכום המסות של הפרוטונים, הנייטרונים והאלקטרונים המרכיבים אותו אלא קטנה מסכום זה. הפרש המסות הוא המקור לגודל שנקרא אנרגיית הקשר. ככל שאנרגייה זו גדולה יותר באופן יחסי כך האטום יציב יותר והוא יוכל להוות תוצר של תהליכים גרעיניים שעוברים אטומים פחות יציבים. אנרגיית הקשר היא בעצם האנרגיה המשתחררת בכור גרעיני או בפצצה גרעינית.

בנוסף לכל זאת יש לי גם בעיה עם המילה חומר בהגדרה "כמות החומר". בהתאם לתורת היחסות מסה שקולה לאנרגיה (עוד על כך בפוסטים הבאים). גם חלקיקי קרינה, כמו למשל חלקיקי האור הקרויים פוטונים, נושאים עמם אנרגיה ולכן מסה יכולה להתייחס לכל סוגי החלקיקים ולא רק לחלקיקי חומר. עקב כך, השימוש בהגדרה המתייחסת לכמות החומר בלבד, מבלי להתייחס לקרינה, איננו מלא.

אז איך בכל זאת ניתן להגדיר מסה? על כך בפוסט הבא...

אין תגובות: