Albert Einstein este probabil cunoscut tuturor locuitorilor planetei noastre. Este cunoscut datorită celebrei formule pentru legătura dintre masă și energie. Cu toate acestea, nu a primit Premiul Nobel pentru asta. În acest articol, vom lua în considerare două formule Einstein care au schimbat ideile fizice despre lumea din jurul nostru la începutul secolului al XX-lea.
Anul fructuos al lui Einstein
În 1905, Einstein a publicat mai multe articole simultan, care au tratat în principal două subiecte: teoria relativității pe care a dezvoltat-o și explicația efectului fotoelectric. Materialele au fost publicate în jurnalul german Annalen der Physik. Însuși titlurile acestor două articole au provocat nedumerire în cercul oamenilor de știință de la acea vreme:
- "Inerția unui corp depinde de energia pe care o conține?";
- „Un punct de vedere euristic asupra originii și transformării luminii”.
În primul, omul de știință citează formula cunoscută în prezent a teoriei relativității a lui Einstein, care combinăegalitatea uniformă a masei și energiei. Al doilea articol oferă o ecuație pentru efectul fotoelectric. Ambele formule sunt utilizate în prezent atât pentru a lucra cu materie radioactivă, cât și pentru a genera energie electrică din unde electromagnetice.
Formula scurtă a relativității speciale
Teoria relativității dezvoltată de Einstein ia în considerare fenomenele când masele obiectelor și vitezele lor de mișcare sunt uriașe. În ea, Einstein postulează că este imposibil să te miști mai repede decât lumina în orice cadru de referință și că la viteze apropiate de lumina, proprietățile spațiu-timp se schimbă, de exemplu, timpul începe să încetinească.
Teoria relativității este greu de înțeles din punct de vedere logic, deoarece contrazice ideile obișnuite despre mișcare, ale căror legi au fost stabilite de Newton în secolul al XVII-lea. Cu toate acestea, Einstein a venit cu o formulă elegantă și simplă din calcule matematice complexe:
E=mc2.
Această expresie se numește formula lui Einstein pentru energie și masă. Să ne dăm seama ce înseamnă.
Conceptele de masă, energie și viteza luminii
Pentru a înțelege mai bine formula lui Albert Einstein, ar trebui să înțelegeți în detaliu semnificația fiecărui simbol care este prezent în ea.
Să începem cu masa. Puteți auzi adesea că această cantitate fizică este legată de cantitatea de materie conținută în corp. Acest lucru nu este în întregime adevărat. Este mai corect să definim masa ca măsură a inerției. Cu cât corpul este mai mare, cu atât este mai greu să îi dai un anumitviteză. Masa se măsoară în kilograme.
De asemenea, problema energiei nu este simplă. Deci, există o varietate de manifestări: lumină și termică, abur și electrice, cinetice și potențiale, legături chimice. Toate aceste tipuri de energie sunt unite de o proprietate importantă - capacitatea lor de a lucra. Cu alte cuvinte, energia este o cantitate fizică capabilă să miște corpurile împotriva acțiunii altor forțe externe. Măsura SI este joule.
Care este viteza luminii este aproximativ clar pentru toată lumea. Este înțeleasă ca distanța pe care o parcurge o undă electromagnetică pe unitatea de timp. Pentru vid, această valoare este o constantă; în orice alt mediu real, aceasta scade. Viteza luminii este măsurată în metri pe secundă.
Semnificația formulei lui Einstein
Dacă te uiți îndeaproape la această formulă simplă, poți vedea că masa este legată de energie printr-o constantă (pătratul vitezei luminii). Einstein însuși a explicat că masa și energia sunt manifestări ale aceluiași lucru. În acest caz, sunt posibile tranzițiile m la E și înapoi.
Înainte de apariția teoriei lui Einstein, oamenii de știință credeau că legile conservării masei și energiei există separat și sunt valabile pentru orice procese care au loc în sisteme închise. Einstein a arătat că nu este cazul, iar aceste fenomene persistă nu separat, ci împreună.
O altă caracteristică a formulei lui Einstein sau a legii echivalenței masei și energiei este coeficientul de proporționalitate dintre aceste mărimi,adică c2. Este aproximativ egal cu 1017 m2/s2. Această valoare uriașă sugerează că chiar și o cantitate mică de masă conține rezerve uriașe de energie. De exemplu, dacă urmați această formulă, atunci doar un strugure uscat (stafide) poate satisface toate nevoile energetice ale Moscovei într-o singură zi. Pe de altă parte, acest factor uriaș explică și de ce nu observăm schimbări de masă în natură, deoarece acestea sunt prea mici pentru valorile energetice pe care le folosim.
Influența formulei asupra cursului istoriei secolului al XX-lea
Datorită cunoașterii acestei formule, o persoană a reușit să stăpânească energia atomică, ale cărei rezerve uriașe sunt explicate prin procesele de dispariție a masei. Un exemplu izbitor este fisiunea nucleului de uraniu. Dacă adunăm masa izotopilor de lumină formați după această fisiune, atunci aceasta se va dovedi a fi mult mai mică decât cea pentru nucleul original. Masa dispărută se transformă în energie.
Capacitatea omului de a folosi energia atomică a condus la crearea unui reactor care servește la furnizarea de energie electrică populației civile a orașelor și la proiectarea celei mai mortale arme din toată istoria cunoscută - bomba atomică.
Apariția primei bombe atomice în Statele Unite a pus capăt celui de-al Doilea Război Mondial împotriva Japoniei înainte de termen (în 1945, Statele Unite au aruncat aceste bombe asupra a două orașe japoneze) și a devenit, de asemenea, principalul mijloc de descurajare pentru izbucnirea celui de-al treilea război mondial.
Einstein însuși, desigur, nu a pututsă prevadă asemenea consecinţe ale formulei pe care a descoperit-o. Rețineți că nu a luat parte la proiectul Manhattan de a crea arme atomice.
Fenomenul efectului fotoelectric și explicația acestuia
Acum să trecem la întrebarea pentru care Albert Einstein a primit Premiul Nobel la începutul anilor 1920.
Fenomenul efectului fotoelectric, descoperit în 1887 de Hertz, constă în apariția unor electroni liberi deasupra suprafeței unui anumit material, dacă acesta este iradiat cu lumină de anumite frecvențe. Nu a fost posibil să explicăm acest fenomen din punctul de vedere al teoriei ondulatorii a luminii, care a fost stabilită la începutul secolului al XX-lea. Astfel, nu a fost clar de ce efectul fotoelectric este observat fără întârziere (mai puțin de 1 ns), de ce potențialul de decelerare nu depinde de intensitatea sursei de lumină. Einstein a dat o explicație genială.
Omul de știință a sugerat un lucru simplu: atunci când lumina interacționează cu materia, ea nu se comportă ca un val, ci ca un corpuscul, un cuantic, un cheag de energie. Conceptele inițiale erau deja cunoscute - teoria corpusculară a fost propusă de Newton la mijlocul secolului al XVII-lea, iar conceptul de cuante de unde electromagnetice a fost introdus de fizicianul compatriot Max Planck. Einstein a reușit să reunească toate cunoștințele de teorie și experiment. El credea că un foton (cuantum de lumină), care interacționează cu un singur electron, îi dă complet energia sa. Dacă această energie este suficient de mare pentru a rupe legătura dintre electron și nucleu, atunci particula elementară încărcată se deschide din atom și intră într-o stare liberă.
Vizualizări etichetatei-a permis lui Einstein să scrie formula efectului fotoelectric. O vom lua în considerare în următorul paragraf.
Efectul fotoelectric și ecuația acestuia
Această ecuație este puțin mai lungă decât celebra relație energie-masă. Arată așa:
hv=A + Ek.
Această ecuație sau formula lui Einstein pentru efectul fotoelectric reflectă esența a ceea ce se întâmplă în proces: un foton cu energie hv (constanta lui Planck înmulțită cu frecvența de oscilație) este cheltuit pentru ruperea legăturii dintre electroni. și nucleul (A este funcția de lucru a electronului) și la comunicarea unei particule negative de energie cinetică (Ek).
Formula de mai sus a făcut posibilă explicarea tuturor dependențelor matematice observate în experimente asupra efectului fotoelectric și a condus la formularea legilor corespunzătoare pentru fenomenul luat în considerare.
Unde este utilizat efectul fotoelectric?
În prezent, ideile lui Einstein prezentate mai sus sunt aplicate pentru a converti energia luminoasă în electricitate datorită panourilor solare.
Ei folosesc un efect fotoelectric intern, adică electronii „trași” din atom nu părăsesc materialul, ci rămân în el. Substanța activă este semiconductori de siliciu de tip n și p.
