Alberta Einsteina verjetno pozna vsak prebivalec našega planeta. Poznan je po znameniti formuli za povezavo med maso in energijo. Vendar za to ni prejel Nobelove nagrade. V tem članku bomo obravnavali dve Einsteinovi formuli, ki sta obrnili fizične predstave o svetu okoli nas na začetku 20. stoletja.
Einsteinovo plodno leto
Leta 1905 je Einstein objavil več člankov hkrati, ki so se ukvarjali predvsem z dvema temama: teorijo relativnosti, ki jo je razvil, in razlago fotoelektričnega učinka. Gradivo je bilo objavljeno v nemški reviji Annalen der Physik. Sama naslova teh dveh člankov sta v tistem času povzročila zmedo v krogu znanstvenikov:
- "Ali je vztrajnost telesa odvisna od energije, ki jo vsebuje?";
- "Hevristični pogled na izvor in transformacijo svetlobe".
V prvem znanstvenik navaja trenutno znano formulo Einsteinove teorije relativnosti, ki združujeenotna enakost mase in energije. V drugem članku je podana enačba za fotoelektrični učinek. Obe formuli se trenutno uporabljata tako za delo z radioaktivnimi snovmi kot za ustvarjanje električne energije iz elektromagnetnih valov.
Kratka formula posebne relativnosti
Teorija relativnosti, ki jo je razvil Einstein, obravnava pojave, ko so mase predmetov in njihove hitrosti gibanja ogromne. V njem Einstein domneva, da se je nemogoče premikati hitreje od svetlobe v nobenem referenčnem okviru in da se pri skoraj svetlobnih hitrostih lastnosti prostorsko-časovnega spreminjanja, na primer, začnejo upočasnjevati.
Teorijo relativnosti je težko razumeti z logičnega vidika, ker je v nasprotju z običajnimi idejami o gibanju, katerih zakone je postavil Newton v 17. stoletju. Vendar je Einstein iz zapletenih matematičnih izračunov prišel do elegantne in preproste formule:
E=mc2.
Ta izraz se imenuje Einsteinova formula za energijo in maso. Ugotovimo, kaj to pomeni.
Koncepti mase, energije in svetlobne hitrosti
Če želite bolje razumeti formulo Alberta Einsteina, morate podrobno razumeti pomen vsakega simbola, ki je v njej prisoten.
Začnimo z mašo. Pogosto lahko slišite, da je ta fizična količina povezana s količino snovi v telesu. To ni povsem res. Bolj pravilno je maso opredeliti kot mero vztrajnosti. Večje kot je telo, težje mu je dati določenohitrost. Masa se meri v kilogramih.
Tudi vprašanje energije ni preprosto. Torej obstajajo različne njegove manifestacije: svetlobne in toplotne, parne in električne, kinetične in potencialne, kemične vezi. Vse te vrste energije združuje ena pomembna lastnost - njihova sposobnost opravljanja dela. Z drugimi besedami, energija je fizična količina, ki je sposobna premikati telesa proti delovanju drugih zunanjih sil. Mera SI je džul.
Kolikšna je hitrost svetlobe, je približno vsem jasno. Razume se kot razdalja, ki jo elektromagnetno valovanje prepotuje na enoto časa. Za vakuum je ta vrednost konstantna; v katerem koli drugem realnem mediju se zmanjša. Hitrost svetlobe se meri v metrih na sekundo.
Pomen Einsteinove formule
Če natančno pogledate to preprosto formulo, lahko vidite, da je masa povezana z energijo skozi konstanto (kvadrat svetlobne hitrosti). Einstein je sam pojasnil, da sta masa in energija manifestaciji iste stvari. V tem primeru so možni prehodi m v E in nazaj.
Pred pojavom Einsteinove teorije so znanstveniki verjeli, da zakoni ohranjanja mase in energije obstajajo ločeno in veljajo za vse procese, ki se dogajajo v zaprtih sistemih. Einstein je pokazal, da temu ni tako in ti pojavi ne obstajajo ločeno, ampak skupaj.
Druga značilnost Einsteinove formule ali zakona o enakovrednosti mase in energije je koeficient sorazmernosti med tema količinama,tj. c2. To je približno enako 1017 m2/s2. Ta ogromna vrednost nakazuje, da že majhna količina mase vsebuje ogromne zaloge energije. Na primer, če sledite tej formuli, lahko samo eno posušeno grozdje (rozine) zadovolji vse energetske potrebe Moskve v enem dnevu. Po drugi strani pa ta ogromen dejavnik tudi pojasnjuje, zakaj v naravi ne opazimo množičnih sprememb, ker so premajhne za energijske vrednosti, ki jih uporabljamo.
Vpliv formule na potek zgodovine 20. stoletja
Zahvaljujoč poznavanju te formule je človek lahko obvladal atomsko energijo, katere ogromne zaloge so razložene s procesi izginotja mase. Osupljiv primer je cepitev uranovega jedra. Če seštejemo maso lahkih izotopov, ki nastanejo po tej cepitvi, se bo izkazalo, da je veliko manjša od tiste za prvotno jedro. Izginula masa se spremeni v energijo.
Zmožnost človeka za uporabo atomske energije je privedla do ustvarjanja reaktorja, ki služi za oskrbo z električno energijo civilnemu prebivalstvu mest, in do zasnove najsmrtonosnejšega orožja v vsej znani zgodovini - atomske bombe.
Pojav prve atomske bombe v Združenih državah je končal drugo svetovno vojno proti Japonski pred rokom (leta 1945 so ZDA odvrgle te bombe na dve japonski mesti) in postal tudi glavni odvračilni dejavnik za izbruh tretje svetovne vojne.
Einstein sam seveda ni mogelda bi predvidel takšne posledice formule, ki jo je odkril. Upoštevajte, da ni sodeloval pri projektu na Manhattnu za ustvarjanje atomskega orožja.
Fenomen fotoelektričnega učinka in njegova razlaga
Zdaj pa preidimo na vprašanje, za katerega je bil Albert Einstein v zgodnjih dvajsetih letih prejšnjega stoletja nagrajen z Nobelovo nagrado.
Fenomen fotoelektričnega učinka, ki ga je leta 1887 odkril Hertz, je v pojavu prostih elektronov nad površino določenega materiala, če ga obseva svetloba določenih frekvenc. Tega pojava ni bilo mogoče razložiti z vidika valovne teorije svetlobe, ki se je uveljavila v začetku 20. stoletja. Tako ni bilo jasno, zakaj fotoelektrični učinek opazimo brez časovne zamude (manj kot 1 ns), zakaj upočasnjevalni potencial ni odvisen od intenzitete svetlobnega vira. Einstein je dal briljantno razlago.
Znanstvenik je predlagal preprosto stvar: ko svetloba komunicira s snovjo, se ne obnaša kot val, ampak kot korpuskula, kvant, strdek energije. Začetni koncepti so bili že znani - korpuskularno teorijo je sredi 17. stoletja predlagal Newton, koncept kvantov elektromagnetnega valovanja pa je uvedel rojak fizik Max Planck. Einsteinu je uspelo združiti vse znanje teorije in eksperimenta. Verjel je, da foton (kvant svetlobe), ki deluje samo z enim elektronom, v celoti daje svojo energijo. Če je ta energija dovolj velika, da prekine vez med elektronom in jedrom, se nabiti elementarni delec odpre iz atoma in preide v prosto stanje.
Označeni oglediomogočil Einsteinu, da je zapisal formulo za fotoelektrični učinek. To bomo obravnavali v naslednjem odstavku.
fotoelektrični učinek in njegova enačba
Ta enačba je nekoliko daljša od slavne relacije energija-masa. Izgleda takole:
hv=A + Ek.
Ta enačba ali Einsteinova formula za fotoelektrični učinek odraža bistvo dogajanja v procesu: foton z energijo hv (Planckova konstanta, pomnožena s frekvenco nihanja) se porabi za prekinitev vezi med elektronom. in jedro (A je delovna funkcija elektrona) in o posredovanju negativnega delca kinetične energije (Ek).
Zgornja formula je omogočila razlago vseh matematičnih odvisnosti, opaženih v poskusih na fotoelektrični učinek, in privedla do oblikovanja ustreznih zakonov za obravnavani pojav.
Kje se uporablja fotoelektrični učinek?
Trenutno se Einsteinove zamisli, opisane zgoraj, uporabljajo za pretvorbo svetlobne energije v električno energijo zahvaljujoč sončnim celicam.
Uporabljajo notranji fotoelektrični učinek, to pomeni, da elektroni, "izvlečeni" iz atoma, ne zapustijo materiala, ampak ostanejo v njem. Zdravilna učinkovina so silicijevi polprevodniki n- in p-tipa.
