Albert Einstein jest prawdopodobnie znany każdemu mieszkańcowi naszej planety. Jest znany dzięki słynnej formule związku masy i energii. Nie otrzymał jednak za to Nagrody Nobla. W tym artykule rozważymy dwie formuły Einsteina, które zmieniły fizyczne wyobrażenia o otaczającym nas świecie na początku XX wieku.
Owocny rok Einsteina
W 1905 roku Einstein opublikował jednocześnie kilka artykułów, które dotyczyły głównie dwóch tematów: opracowanej przez niego teorii względności i wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego. Materiały zostały opublikowane w niemieckim czasopiśmie Annalen der Physik. Już same tytuły tych dwóch artykułów wywołały dezorientację w ówczesnym gronie naukowców:
- "Czy bezwładność ciała zależy od zawartej w nim energii?";
- "Heurystyczny punkt widzenia na pochodzenie i transformację światła".
W pierwszym naukowiec powołuje się na znaną obecnie formułę teorii względności Einsteina, która łączyjednolita równość masy i energii. Drugi artykuł zawiera równanie efektu fotoelektrycznego. Obie formuły są obecnie używane zarówno do pracy z materią radioaktywną, jak i do generowania energii elektrycznej z fal elektromagnetycznych.
Krótka formuła szczególnej teorii względności
Teoria względności opracowana przez Einsteina uwzględnia zjawiska, gdy masy obiektów i ich prędkości ruchu są ogromne. Einstein postuluje w nim, że niemożliwe jest poruszanie się szybciej niż światło w żadnym układzie odniesienia i że przy prędkościach bliskich światłu zmieniają się właściwości czasoprzestrzeni, na przykład czas zaczyna zwalniać.
Teoria względności jest trudna do zrozumienia z logicznego punktu widzenia, ponieważ zaprzecza zwykłym wyobrażeniom o ruchu, których prawa zostały ustanowione przez Newtona w XVII wieku. Jednak Einstein wymyślił elegancki i prosty wzór na podstawie złożonych obliczeń matematycznych:
E=mc2.
To wyrażenie nazywa się wzorem Einsteina na energię i masę. Zastanówmy się, co to oznacza.
Pojęcia masy, energii i prędkości światła
Aby lepiej zrozumieć wzór Alberta Einsteina, powinieneś szczegółowo zrozumieć znaczenie każdego symbolu, który jest w nim obecny.
Zacznijmy od masy. Często można usłyszeć, że ta wielkość fizyczna jest powiązana z ilością materii zawartej w ciele. To nie do końca prawda. Bardziej poprawne jest zdefiniowanie masy jako miary bezwładności. Im większe ciało, tym trudniej nadać mu pewnościprędkość. Masa jest mierzona w kilogramach.
Kwestia energii również nie jest prosta. Tak więc istnieje wiele jego przejawów: wiązania świetlne i cieplne, pary i elektryczne, kinetyczne i potencjalne, wiązania chemiczne. Wszystkie te rodzaje energii łączy jedna ważna właściwość - ich zdolność do wykonywania pracy. Innymi słowy, energia jest wielkością fizyczną zdolną do poruszania ciał wbrew działaniu innych sił zewnętrznych. Miarą SI jest dżul.
Jaka jest prędkość światła jest w przybliżeniu jasne dla wszystkich. Jest rozumiany jako odległość, jaką fala elektromagnetyczna pokonuje w jednostce czasu. W przypadku próżni wartość ta jest stała, w każdym innym ośrodku rzeczywistym maleje. Prędkość światła jest mierzona w metrach na sekundę.
Znaczenie wzoru Einsteina
Jeśli przyjrzysz się temu prostemu wzorowi, zobaczysz, że masa jest związana z energią poprzez stałą (kwadrat prędkości światła). Sam Einstein wyjaśnił, że masa i energia są przejawami tego samego. W takim przypadku możliwe są przejścia m do E iz powrotem.
Przed pojawieniem się teorii Einsteina naukowcy wierzyli, że prawa zachowania masy i energii istnieją oddzielnie i obowiązują we wszystkich procesach zachodzących w układach zamkniętych. Einstein wykazał, że tak nie jest, a zjawiska te utrzymują się nie osobno, ale razem.
Kolejną cechą wzoru Einsteina lub prawa równoważności masy i energii jest współczynnik proporcjonalności między tymi wielkościami,tj. c2. Jest to w przybliżeniu równe 1017 m2/s2. Ta ogromna wartość sugeruje, że nawet niewielka ilość masy zawiera ogromne rezerwy energii. Na przykład, jeśli zastosujesz się do tej formuły, to tylko jedno suszone winogrono (rodzynka) może zaspokoić wszystkie potrzeby energetyczne Moskwy w ciągu jednego dnia. Z drugiej strony ten ogromny czynnik wyjaśnia również, dlaczego nie obserwujemy zmian masy w przyrodzie, ponieważ są one zbyt małe dla stosowanych przez nas wartości energii.
Wpływ formuły na przebieg historii XX wieku
Dzięki znajomości tej formuły człowiek był w stanie opanować energię atomową, której ogromne rezerwy wyjaśniają procesy zanikania masy. Uderzającym przykładem jest rozszczepienie jądra uranu. Jeśli zsumujemy masę lekkich izotopów powstałych po tym rozszczepieniu, to okaże się, że jest ona znacznie mniejsza niż masa pierwotnego jądra. Zniknięta masa zamienia się w energię.
Zdolność człowieka do wykorzystywania energii atomowej doprowadziła do stworzenia reaktora, który służy do dostarczania elektryczności ludności cywilnej miast, a także do zaprojektowania najbardziej śmiercionośnej broni w całej znanej historii - bomby atomowej.
Pojawienie się pierwszej bomby atomowej w Stanach Zjednoczonych zakończyło II wojnę światową przeciwko Japonii przed terminem (w 1945 r. Stany Zjednoczone zrzuciły te bomby na dwa japońskie miasta), a także stały się głównym środkiem odstraszającym wybuch III wojny światowej.
Sam Einstein oczywiście nie mógłprzewidzieć takie konsekwencje odkrytej przez siebie formuły. Zauważ, że nie brał udziału w projekcie Manhattan tworzenia broni atomowej.
Zjawisko efektu fotoelektrycznego i jego wyjaśnienie
Przejdźmy teraz do pytania, za które Albert Einstein otrzymał Nagrodę Nobla na początku lat dwudziestych.
Zjawisko efektu fotoelektrycznego, odkryte w 1887 roku przez Hertza, polega na pojawieniu się wolnych elektronów nad powierzchnią pewnego materiału, jeśli zostanie on napromieniowany światłem o określonych częstotliwościach. Nie można było wyjaśnić tego zjawiska z punktu widzenia falowej teorii światła, która powstała na początku XX wieku. Nie było więc jasne, dlaczego efekt fotoelektryczny obserwuje się bez opóźnienia czasowego (mniej niż 1 ns), dlaczego potencjał hamowania nie zależy od natężenia źródła światła. Einstein dał genialne wyjaśnienie.
Naukowiec zasugerował prostą rzecz: kiedy światło oddziałuje z materią, zachowuje się nie jak fala, ale jak korpuskuła, kwant, grudka energii. Wstępne koncepcje były już znane - teorię korpuskularną zaproponował Newton w połowie XVII wieku, a pojęcie kwantów fal elektromagnetycznych wprowadził rodak fizyk Max Planck. Einstein był w stanie zebrać całą wiedzę teoretyczną i eksperymentalną. Uważał, że foton (kwant światła), oddziałując tylko z jednym elektronem, całkowicie oddaje mu swoją energię. Jeśli ta energia jest wystarczająco duża, aby zerwać wiązanie między elektronem a jądrem, wówczas naładowana cząsteczka elementarna otwiera się z atomu i przechodzi w stan swobodny.
Otagowane widokipozwolił Einsteinowi spisać wzór na efekt fotoelektryczny. Rozważymy to w następnym akapicie.
Zjawisko fotoelektryczne i jego równanie
To równanie jest nieco dłuższe niż słynna relacja energia-masa. Wygląda to tak:
hv=A + Ek.
To równanie lub wzór Einsteina na efekt fotoelektryczny odzwierciedla istotę tego, co dzieje się w procesie: foton o energii hv (stała Plancka pomnożona przez częstotliwość oscylacji) jest zużywany na zerwanie wiązania między elektronami i jądra (A jest funkcją pracy elektronu) oraz komunikowania ujemnej cząstki energii kinetycznej (Ek).
Powyższy wzór umożliwił wyjaśnienie wszystkich matematycznych zależności obserwowanych w eksperymentach dotyczących efektu fotoelektrycznego i doprowadził do sformułowania odpowiednich praw dla rozważanego zjawiska.
Gdzie jest używany efekt fotoelektryczny?
Obecnie opisane powyżej pomysły Einsteina są stosowane do przekształcania energii świetlnej w energię elektryczną dzięki panelom słonecznym.
Wykorzystują one wewnętrzny efekt fotoelektryczny, to znaczy elektrony „wyciągnięte” z atomu nie opuszczają materiału, lecz pozostają w nim. Substancją czynną są półprzewodniki krzemowe typu n i p.
