قانون بقای ماده

(فیزیک برای نوآموزان)

هم‌چنان که دارای قانون بقای انرژی هستیم قانون بقای ماده هم داریم. می‌خواهیم در اینجا اطلاعات مفیدی در این باره به دست آوریم.
طبیعت از اشیاء متنوع زنده و غیر زنده تشکیل شده است، و همه‌ی این‌ها روی هم رفته جرم زمین را تشکیل می‌دهند. بنابر این برای تعریف جرم در فیزیک باید بگوییم «کمیت ماده است آنگونه که با وزنش تعیین می‌شود». به زبان ساده، برای پیدا کردن جرم، مقدار نیروی وزن مؤثر بر آن جرم در نظر گرفته می‌شود. شما حتماً در مورد قانون بسیار معروف بقای انرژی نیوتون چیزهایی شنیده‌اید. این قانون شامل اصولی در باره‌ی انرژی‌ای است که ما را احاطه کرده است. به طور مشابه، نیوتون قانون بقای جرم را مطرح می‌کند تا توضیح دهد جرم چیست و چگونه در طبیعت در توازن قرار می‌گیرد.

قانون بقای جِرم چیست

در فیزیک، جرم به صورت یک سیستم بسته یا مجزا شده شناخته می‌شود. این به این معناست که هیچ تبادل ماده‌ای با محیط نمی‌تواند وجود داشته باشد. بنا بر این جرم دارای یک حالت تعادل ترمودینامیکی می‌شود که در آن هیچ شکلی از ماده قابل انتقال یا پذیرش نیست. بر اساس این اصل، تعریف زیر را داریم:
«جِرم اشیاء در یک سیستم بسته یا مجزا شده، صرف نظر از این که چه پروسه‌هایی در داخل سیستم در حال عمل هستند، ثابت خواهد ماند». این خیلی شبیه است به قانون بقای انرژی که بیان می‌دارد: «مقدار کل انرژی در یک سیستم مجزا شده در طول زمان ثابت می‌ماند.»
پیامد معمول دیگری از این دو قانون این است که هم جرم و هم انرژی نه می‌توانند خلق شوند و نه نابود، بلکه تنها می‌توانند از یک حالت به حالتی دیگر تبدیل شوند. بر اساس این قانون، گفته می‌شود که جرم در طبیعت همواره ثابت باقی می‌ماند اما می‌تواند به انواع مختلف ذرات و به فازهای مختلف ماده تغییر حالت دهد. صرف نظر از استفاده‌اش در بخش فیزیک دانش، این قانون در واکنش‌های شیمیایی که در سیستم‌های بسته رخ می‌دهند نیز کاربرد دارد، جایی که جرم واکنش دهندگان باید برابر با جرم محصولات به دست آمده باشد.

مثال‌ها

همان‌طور که در بالا گفته شد طبیعت پر از جرمی است که به هر حال به صورتی ابقا می‌شود. بنا بر این مثال‌های زیادی وجود دارد که می‌توان برای توضیح این اصل در طبیعت بیان داشت. دو تا از ساده‌ترین مثال‌ها در زیر آورده می‌شود تا بتوانید یاد بگیرید که چگونه این قانون را در زندگی روزانه به کار گیرید. نگاهی به این مثال‌ها بیندازید.

مثال 1

وقتی زغال را می‌سوزانید بر اثر این سوزاندن محصولاتی شکل می‌گیرند که عبارتند از دوده، خاکستر، گرما و چند نوع گاز مختلف. این محصولاتِ احتراق مستقیماً متناسبند با ماده‌ی خام زغال که سوخته شده است به گونه‌ای که جرم زغال تبدیل می‌شود به همه‌ی محصولات در حالی که میزان جرم ثابت می‌ماند. به هر حال اما وقتی، در این مورد، جرم، دچار تبدیل می‌شود کمی انرژی، به صورت گرما، تولید می‌شود. اما این تبدیل به انرژی، بسیار کوچک است و به راحتی قابل آشکارسازی نیست، بنا بر این در نظر گرفته نمی‌شود.

مثال 2

در این مثال یک واکنش شیمیایی بسیار اساسی بین یک مولکول هیدروژن (H2) و نیم مولکول اکسیژن (O2) را مورد بحث قرار می‌دهیم. وقتی این دو نوع مولکول تحت حرارت با هم واکنش می‌کنند یک مولکول آب (H2O) پدید می‌آورند. وزن مولکولی هیدروژن 2 و از آنِ اکسیژن 16 است که وقتی به ترتیب در ضریب‌های یک و نیم ضرب شده و با هم جمع شوند عدد 10 را به بار می‌آورند که وزن مولکولی آب است. بنا بر این در شیمی، جرم واکنش دهنده‌ها در محصولاتِ واکنش ثابت می‌ماند.
شما نیز می‌توانید در مورد مثال‌هایی از زندگی روزانه‌اتان فکر کنید که نشانتان می‌دهند که فیزیک و شیمی چیزی است که طبیعت بر مبنای آنها ساخته شده است.