מסת מנוחה

מסת המנוחה (נקראת גם המסה היסודית או מסה אינווריאנטית) היא התכונה של גוף או מערכת חלקיקים שמייצגת את סך האנרגיה והתנע שאינו תלוי במהירות הצופה. כלומר, היא נשארת קבועה בכל מערכות הייחוס. זה שונה מהמסה היחסותית, שהיא תלויה במהירות הצופה.

מסת המנוחה של גוף היא המסה שמודד צופה שנע יחד עם הגוף, ולכן רואה אותו במנוחה. במערכת שבה הגוף במנוחה, האנרגיה הכוללת קשורה למסת המנוחה לפי חוק שקילות המסה והאנרגיה. c כאן היא מהירות האור בריק.

כאשר מערכת נוחה כוללת יותר מחלקיק אחד, החלקיקים נעים זה ביחס לזה. האנרגיה הקינטית (האנרגיה של התנועה) והאנרגיה הפוטנציאלית (האנרגיה של שדות כוח) מעלות את האנרגיה הכוללת של המערכת. לכן מסת המנוחה של מערכת שלמה יכולה להיות גדולה מסכום מסות המנוחה של החלקיקים הבודדים.

חלקיקים שנעים במהירות האור בריק, כמו פוטונים, בעלי מסת מנוחה אפס.

המרת מסת מנוחה לאנרגיה מתרחשת בתהליכים כמו ביקוע גרעיני וביתוך גרעיני. ביקוע גרעיני הוא פיצול של גרעין כבד לגרעינים קטנים יותר. אחרי הביקוע, מסת המנוחה הכוללת קטנה יותר, וההפרש הופך לאנרגיה הקינטית של התוצרים. כורים גרעיניים ונשק גרעיני מבוססים על תהליך זה. היתוך גרעיני הוא מיזוג של גרעינים קלים לגרעין כבד יותר. גם כאן מסת המנוחה של התוצר קטנה מסכום המסות ההתחלתיות, וההפרש משתחרר כאנרגיה. היתוך זהו מקור האנרגיה של כוכבים.

מסת המנוחה ניתנת לחישוב מתוך האנרגיה והתנע של החלקיק. בניסוח היחסותי יש קשר בין האנרגיה E, התנע p ומסת המנוחה m0. מסת המנוחה היא גודל אינווריאנטי, והיא נקשרת ל'וקטור התנע-אנרגיה' בארבעה ממדים. במכניקת הקוונטים היא מופיעה כפרמטר במשוואת דיראק של חלקיק אלמנטרי.

כמו כן, מסת מערכת חלקיקים מחושבת על ידי סכום האנרגיות והווקטור של סכום התנועות של החלקיקים. המסה היחסותית m_rel גדלה כשהמהירות מתקרבת למהירות האור, והיא קשורה למסת המנוחה באמצעות גורם הגמא (γ): m_rel = γ m0.

מסת המנוחה היא המסה של גוף כשמסתכלים עליו ממקום שנע איתו. היא זהה לכל הצופים.

אם במערכת יש חלקיקים שנעים זה ביחס לזה, הם מוסיפים אנרגיה. לכן המסה הכוללת יכולה להיות גדולה יותר מהמסות של החלקיקים בנפרד.

לפוטונים, שהם חלקיקי אור, יש מסת מנוחה אפס.

שינויים במסת המנוחה יכולים להפוך לאנרגיה. בביקוע גרעיני פוצלים גרעינים גדולים לגרעינים קטנים. חלק מהמסה נעלמת והופכת לאנרגיה. כורים גרעיניים ונשק גרעיני משתמשים בזה. בהיתוך גרעיני מתחברים גרעינים קלים לגרעין כבד. גם כאן נוצרה אנרגיה. היתוך כזה מזין כוכבים והופך אותם לזהרים.

אפשר לחשב את מסת המנוחה מתוך האנרגיות והתנועות של החלקיקים. המסה הזו נשארת זהה בכל מערכות הייחוס.