Albert Einstein er sannsynligvis kjent for alle innbyggere på planeten vår. Det er kjent takket være den berømte formelen for sammenhengen mellom masse og energi. Han fikk imidlertid ikke Nobelprisen for det. I denne artikkelen vil vi ta for oss to Einstein-formler som snudde de fysiske ideene om verden rundt oss på begynnelsen av 1900-tallet.
Einsteins fruktbare år
I 1905 publiserte Einstein flere artikler samtidig, som hovedsakelig omhandlet to emner: relativitetsteorien han utviklet og forklaringen av den fotoelektriske effekten. Materialene ble publisert i det tyske tidsskriftet Annalen der Physik. Selve titlene på disse to artiklene skapte forvirring i kretsen av forskere på den tiden:
- "Avhenger tregheten til en kropp av energien den inneholder?";
- "Et heuristisk synspunkt på lysets opprinnelse og transformasjon".
I den første siterer forskeren den for tiden kjente formelen til Einsteins relativitetsteori, som kombinererenhetlig likhet mellom masse og energi. Den andre artikkelen gir en ligning for den fotoelektriske effekten. Begge formlene brukes for tiden både for å arbeide med radioaktivt stoff og for å generere elektrisk energi fra elektromagnetiske bølger.
Kort formel for spesiell relativitet
Relativitetsteorien utviklet av Einstein tar for seg fenomenene når massene av objekter og deres bevegelseshastigheter er enorme. I den postulerer Einstein at det er umulig å bevege seg raskere enn lys i en hvilken som helst referanseramme, og at ved nærlyshastigheter endres egenskapene til rom-tid, for eksempel at tiden begynner å avta.
Relativitetsteorien er vanskelig å forstå fra et logisk synspunkt, fordi den motsier de vanlige ideene om bevegelse, hvis lover ble etablert av Newton på 1600-tallet. Einstein kom imidlertid opp med en elegant og enkel formel fra komplekse matematiske beregninger:
E=mc2.
Dette uttrykket kalles Einsteins formel for energi og masse. La oss finne ut hva det betyr.
Begrepene masse, energi og lysets hastighet
For bedre å forstå Albert Einsteins formel, bør du forstå i detalj betydningen av hvert symbol som finnes i den.
La oss starte med messen. Du kan ofte høre at denne fysiske mengden er relatert til mengden materie som finnes i kroppen. Dette er ikke helt sant. Det er mer riktig å definere masse som et mål på treghet. Jo større kroppen er, jo vanskeligere er det å gi den en visshastighet. Masse måles i kilogram.
Spørsmålet om energi er heller ikke enkelt. Så, det er en rekke av dens manifestasjoner: lys og termisk, damp og elektrisk, kinetiske og potensielle, kjemiske bindinger. Alle disse energitypene er forent av en viktig egenskap - deres evne til å utføre arbeid. Med andre ord er energi en fysisk størrelse som er i stand til å bevege kropper mot påvirkning av andre ytre krefter. SI-målet er joule.
Hva er lysets hastighet er omtrent klart for alle. Det forstås som avstanden en elektromagnetisk bølge reiser per tidsenhet. For vakuum er denne verdien en konstant; i et hvilket som helst annet reelt medium synker den. Lysets hastighet måles i meter per sekund.
Betydningen av Einsteins formel
Hvis du ser nøye på denne enkle formelen, kan du se at masse er relatert til energi gjennom en konstant (kvadraten for lysets hastighet). Einstein forklarte selv at masse og energi er manifestasjoner av det samme. I dette tilfellet er overganger m til E og tilbake mulig.
Før fremkomsten av Einsteins teori trodde forskerne at lovene for bevaring av masse og energi eksisterer separat og er gyldige for alle prosesser som skjer i lukkede systemer. Einstein viste at dette ikke er tilfelle, og disse fenomenene vedvarer ikke hver for seg, men sammen.
Et annet trekk ved Einsteins formel eller loven om ekvivalens av masse og energi er proporsjonalitetskoeffisienten mellom disse størrelsene,dvs. c2. Det er omtrent lik 1017 m2/s2. Denne enorme verdien antyder at selv en liten mengde masse inneholder enorme energireserver. For eksempel, hvis du følger denne formelen, kan bare en tørket drue (rosin) tilfredsstille alle energibehovene til Moskva på en dag. På den annen side forklarer denne enorme faktoren også hvorfor vi ikke observerer masseendringer i naturen, fordi de er for små for energiverdiene vi bruker.
Formelens innflytelse på historien til det 20. århundre
Takket være kunnskapen om denne formelen, var en person i stand til å mestre atomenergi, hvis enorme reserver forklares av prosessene med forsvinningen av masse. Et slående eksempel er fisjon av urankjernen. Hvis vi legger sammen massen av de lette isotopene som er dannet etter denne fisjonen, vil den vise seg å være mye mindre enn for den opprinnelige kjernen. Forsvunnet masse blir til energi.
Menneskets evne til å bruke atomenergi førte til opprettelsen av en reaktor som tjener til å gi strøm til sivilbefolkningen i byer, og til utformingen av det dødeligste våpenet i all kjent historie - atombomben.
Utseendet til den første atombomben i USA avsluttet andre verdenskrig mot Japan før tidsplanen (i 1945 slapp USA disse bombene over to japanske byer), og ble også den viktigste avskrekkende virkningen på utbruddet av den tredje verdenskrig.
Einstein selv kunne selvfølgelig ikkeå forutse slike konsekvenser av formelen han oppdaget. Merk at han ikke deltok i Manhattan-prosjektet for å lage atomvåpen.
Fenomenet med den fotoelektriske effekten og dens forklaring
La oss nå gå videre til spørsmålet som Albert Einstein ble tildelt Nobelprisen for på begynnelsen av 1920-tallet.
Fenomenet med den fotoelektriske effekten, oppdaget i 1887 av Hertz, består i tilsynekomsten av frie elektroner over overflaten av et bestemt materiale, hvis det blir bestrålt med lys med bestemte frekvenser. Det var ikke mulig å forklare dette fenomenet fra synsvinkelen til bølgeteorien om lys, som ble etablert på begynnelsen av 1900-tallet. Dermed var det ikke klart hvorfor den fotoelektriske effekten observeres uten tidsforsinkelse (mindre enn 1 ns), hvorfor retardasjonspotensialet ikke er avhengig av lyskildens intensitet. Einstein ga en strålende forklaring.
Vitenskapsmannen foreslo en enkel ting: når lys interagerer med materie, oppfører det seg ikke som en bølge, men som et blodlegeme, et kvante, en energiklump. De første konseptene var allerede kjent - den korpuskulære teorien ble foreslått av Newton på midten av 1600-tallet, og begrepet elektromagnetisk bølgekvanta ble introdusert av landsmannen fysiker Max Planck. Einstein var i stand til å samle all kunnskap om teori og eksperimenter. Han mente at et foton (lyskvantum), som interagerer med bare ett elektron, fullstendig gir det sin energi. Hvis denne energien er stor nok til å bryte bindingen mellom elektronet og kjernen, åpner den ladede elementærpartikkelen seg fra atomet og går inn i en fri tilstand.
Taggede visningertillot Einstein å skrive ned formelen for den fotoelektriske effekten. Vi vil vurdere det i neste avsnitt.
Fotoelektrisk effekt og dens ligning
Denne ligningen er litt lengre enn den berømte energi-masse-relasjonen. Det ser slik ut:
hv=A + Ek.
Denne ligningen eller Einsteins formel for den fotoelektriske effekten gjenspeiler essensen av det som skjer i prosessen: et foton med energi hv (Plancks konstant multiplisert med oscillasjonsfrekvensen) brukes på å bryte bindingen mellom elektronet og kjernen (A er arbeidsfunksjonen til elektronet) og på å kommunisere en negativ partikkel av kinetisk energi (Ek).
Formelen ovenfor gjorde det mulig å forklare alle de matematiske avhengighetene som ble observert i eksperimenter på den fotoelektriske effekten, og førte til formuleringen av de tilsvarende lovene for fenomenet under vurdering.
Hvor brukes den fotoelektriske effekten?
For øyeblikket brukes Einsteins ideer skissert ovenfor for å konvertere lysenergi til elektrisitet takket være solcellepaneler.
De bruker en intern fotoelektrisk effekt, det vil si at elektronene "trukket ut" fra atomet ikke forlater materialet, men forblir i det. Det aktive stoffet er n- og p-type silisiumhalvledere.
