정지에너지

정지된 에너지(1980) 마리나 아브라모비치와 울라이

정지에너지(rest energy)는 물체가 정지하고 있을 때 고유로 가지고 있는 에너지양을 뜻한다. 운동하지 않고 정지하여 있기 때문에 오로지 질량에만 관계되며, 따라서 정지질량에너지라고도 부른다. 아인슈타인의 상대성 이론에 의해 증명되었고, 식은 다음과 같다. E=mc². (m=정지한 물체의 질량, c=빛의 속도) 정지해 있는 물체는 이만큼의 에너지를 고유하게 가지고 있으며, 운동을 하거나 다른 현상을 발생시킴에 따라 운동, 빛, 소리, 열 등의 다양한 에너지로 변환한다. 결국 상대성이론은 물체의 질량과 에너지는 상호변환이 가능하다는 이론적 발견을 한 것이다. 이를 통해 질량을 가진 원자핵을 분열해 막대한 원자력 에너지를 발생시키는 핵분열 과정을 발견하였다.

상세

물체가 정지했을 때 갖는 에너지로 정지질량에너지라고도 한다. 아인슈타인의 상대성이론에 따라 어떤 상호작용이나 운동도 하지 않는 물체라도 그 물체가 갖는 질량은 어느 정도의 에너지가 존재함을 의미한다. 질량과 에너지는 서로 전환될 수 있으며, 전환된 후에 에너지가 방출되면 물체는 정지에너지보다 적은 에너지를 갖게 된다.

아인슈타인의 상대성이론에 따르면 질량은 에너지의 한 형태이다. 어느 한 물체가 정지하고 있든지 또는 다른 어떤 상호작용을 하지 않더라도 그것은 에너지 그 자체이다. 이것을 정지에너지라고 한다. 어떤 물체에 에너지를 가하면 질량이 증가한다. 또한 반응 후에 질량이 줄어들면 그 결손양만큼 에너지로 변환되어 방출된다. 이를 질량-에너지 등가원리라고 한다. 이 원리에 따르면 핵폭발을 설명할 수 있다. 무거운 원자핵이 쪼개지면 질량결손이 일어나 에너지를 방출하게 되는 것이다.

아인슈타인의 상대론적 역학에 의하면 물체의 질량 m은 속도에 따라 변하며, 그 에너지는 mc2(c는 진공 속 광속도)과 같다. 질량 m의 속도에 따른 변화는

    m/√1－v²/c² ≒m(1＋12v²/c²＋……)

로 표시한다. 이 식에 c²을 곱하면 우변의 제1항이 정지에너지 mc²이고, 제2항은 운동에너지 12mv²이 된다. 이 식에서 보면 정지에너지는 일종의 부가항(附加項)으로서 에너지의 원점을 이동시키는 외에는 직접적인 의미가 없다. 그러나 핵반응이나 소립자반응의 경우, 구성입자 간 결합에너지의 변화에 따라 정지에너지의 변화가 상대론적 효과로서 나타난다.

참고자료

• 〈정지 에너지〉, 《사이언스올》
• 〈정지에너지〉, 《두산백과》

같이 보기

• 원자력에너지
• 상호작용

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