Albertą Einšteiną tikriausiai pažįsta kiekvienas mūsų planetos gyventojas. Tai žinoma dėl garsiosios masės ir energijos ryšio formulės. Tačiau už tai Nobelio premijos negavo. Šiame straipsnyje apžvelgsime dvi Einšteino formules, kurios XX amžiaus pradžioje pavertė fizines idėjas apie mus supantį pasaulį.
Vaisingi Einšteino metai
1905 m. Einšteinas iš karto paskelbė keletą straipsnių, kuriuose daugiausia buvo nagrinėjamos dvi temos: jo sukurta reliatyvumo teorija ir fotoelektrinio efekto paaiškinimas. Medžiaga buvo paskelbta Vokietijos žurnale Annalen der Physik. Jau patys šių dviejų straipsnių pavadinimai sukėlė sumaištį to meto mokslininkų rate:
- "Ar kūno inercija priklauso nuo jame esančios energijos?";
- „Euristinis požiūris į šviesos kilmę ir transformaciją“.
Pirmajame mokslininkas cituoja šiuo metu žinomą Einšteino reliatyvumo teorijos formulę, kuri apjungiavienoda masės ir energijos lygybė. Antrajame straipsnyje pateikiama fotoelektrinio efekto lygtis. Abi formulės šiuo metu naudojamos tiek darbui su radioaktyviosiomis medžiagomis, tiek elektros energijai generuoti iš elektromagnetinių bangų.
Trumpa specialiojo reliatyvumo formulė
Einšteino sukurta reliatyvumo teorija nagrinėja reiškinius, kai objektų masės ir jų judėjimo greičiai yra didžiuliai. Jame Einšteinas postuluoja, kad bet kurioje atskaitos sistemoje neįmanoma judėti greičiau už šviesą, o esant beveik šviesos greičiui, keičiasi erdvės-laiko savybės, pavyzdžiui, laikas pradeda lėtėti.
Reliatyvumo teoriją sunku suprasti loginiu požiūriu, nes ji prieštarauja įprastoms judėjimo idėjoms, kurių dėsnius XVII amžiuje nustatė Niutonas. Tačiau Einšteinas iš sudėtingų matematinių skaičiavimų sugalvojo elegantišką ir paprastą formulę:
E=mc2.
Ši išraiška vadinama Einšteino energijos ir masės formule. Išsiaiškinkime, ką tai reiškia.
Masės, energijos ir šviesos greičio sąvokos
Norėdami geriau suprasti Alberto Einšteino formulę, turėtumėte išsamiai suprasti kiekvieno joje esančio simbolio reikšmę.
Pradėkime nuo mišių. Dažnai galite išgirsti, kad šis fizinis kiekis yra susijęs su medžiagos kiekiu kūne. Tai nėra visiškai tiesa. Teisingiau masę apibrėžti kaip inercijos matą. Kuo didesnis kūnas, tuo sunkiau jam suteikti tam tikrągreitis. Masė matuojama kilogramais.
Energijos klausimas taip pat nėra paprastas. Taigi, yra įvairių jo apraiškų: šviesos ir šiluminės, garinės ir elektrinės, kinetinės ir potencialinės, cheminės jungtys. Visas šias energijos rūšis vienija viena svarbi savybė – jų gebėjimas dirbti. Kitaip tariant, energija yra fizinis dydis, galintis pajudinti kūnus prieš kitų išorinių jėgų veikimą. SI matas yra džaulis.
Koks yra šviesos greitis, beveik visiems aišku. Jis suprantamas kaip atstumas, kurį elektromagnetinė banga nukeliauja per laiko vienetą. Vakuumui ši vertė yra konstanta; bet kurioje kitoje realioje terpėje ji mažėja. Šviesos greitis matuojamas metrais per sekundę.
Einšteino formulės prasmė
Jei atidžiai pažvelgsite į šią paprastą formulę, pamatysite, kad masė yra susijusi su energija per konstantą (šviesos greičio kvadratą). Pats Einšteinas paaiškino, kad masė ir energija yra to paties dalyko apraiškos. Šiuo atveju galimi perėjimai m į E ir atgal.
Prieš Einšteino teorijos atsiradimą mokslininkai manė, kad masės ir energijos tvermės dėsniai egzistuoja atskirai ir galioja bet kokiems uždarose sistemose vykstantiems procesams. Einšteinas parodė, kad taip nėra, ir šie reiškiniai išlieka ne atskirai, o kartu.
Kitas Einšteino formulės bruožas arba masės ir energijos ekvivalentiškumo dėsnis yra šių dydžių proporcingumo koeficientas,y., c2. Jis apytiksliai lygus 1017 m2/s2. Ši didžiulė vertė rodo, kad net nedidelis masės kiekis turi milžiniškas energijos atsargas. Pavyzdžiui, jei laikysitės šios formulės, tai tik viena džiovinta vynuogė (razina) gali patenkinti visus Maskvos energijos poreikius per vieną dieną. Kita vertus, šis didžiulis veiksnys taip pat paaiškina, kodėl mes nepastebime masinių pokyčių gamtoje, nes jie yra per maži mūsų vartojamoms energetinėms vertėms.
Formulės įtaka XX amžiaus istorijos eigai
Šios formulės išmanymo dėka žmogus sugebėjo įvaldyti atominę energiją, kurios didžiulius rezervus paaiškina masės nykimo procesai. Ryškus pavyzdys yra urano branduolio skilimas. Jei sudėsime lengvųjų izotopų masę, susidariusią po šio dalijimosi, tada ji bus daug mažesnė nei pradinio branduolio. Dingusi masė virsta energija.
Žmogaus gebėjimas panaudoti atominę energiją paskatino sukurti reaktorių, aprūpinantį elektrą civiliams miestų gyventojams, ir sukurti mirtiniausią ginklą per visą žinomą istoriją – atominę bombą.
Pirmosios atominės bombos pasirodymas Jungtinėse Valstijose ankščiau nei planuota baigė Antrąjį pasaulinį karą prieš Japoniją (1945 m. JAV numetė šias bombas ant dviejų Japonijos miestų), taip pat tapo pagrindine atgrasymo priemone prieš Japoniją. Trečiojo pasaulinio karo protrūkis.
Pats Einšteinas, žinoma, negalėjonumatyti tokias jo atrastos formulės pasekmes. Atkreipkite dėmesį, kad jis nedalyvavo Manheteno projekte sukurti atominius ginklus.
Fotoelektrinio efekto reiškinys ir jo paaiškinimas
Dabar pereikime prie klausimo, už kurį Albertas Einšteinas buvo apdovanotas Nobelio premija XX amžiaus trečiojo dešimtmečio pradžioje.
Fotoelektrinio efekto reiškinys, kurį 1887 m. atrado Hertz, yra laisvųjų elektronų atsiradimas virš tam tikros medžiagos paviršiaus, jei ji apšvitinama tam tikro dažnio šviesa. Šio reiškinio nebuvo įmanoma paaiškinti šviesos bangų teorijos, kuri buvo nustatyta XX amžiaus pradžioje, požiūriu. Taigi nebuvo aišku, kodėl fotoelektrinis efektas stebimas be laiko uždelsimo (mažiau nei 1 ns), kodėl lėtėjimo potencialas nepriklauso nuo šviesos š altinio intensyvumo. Einšteinas pateikė puikų paaiškinimą.
Mokslininkas pasiūlė paprastą dalyką: kai šviesa sąveikauja su medžiaga, ji elgiasi ne kaip banga, o kaip korpusas, kvantas, energijos krešulys. Pradinės sąvokos jau buvo žinomos – korpuskuliarinę teoriją XVII amžiaus viduryje pasiūlė Niutonas, o elektromagnetinių bangų kvantų sąvoką pristatė tautietis fizikas Maxas Planckas. Einšteinas sugebėjo sujungti visas teorijos ir eksperimento žinias. Jis tikėjo, kad fotonas (šviesos kvantas), sąveikaujantis tik su vienu elektronu, visiškai suteikia jam savo energiją. Jei ši energija yra pakankamai didelė, kad nutrauktų ryšį tarp elektrono ir branduolio, tada įkrauta elementarioji dalelė atsidaro iš atomo ir pereina į laisvą būseną.
Pažymėti rodiniaileido Einšteinui užrašyti fotoelektrinio efekto formulę. Mes tai apsvarstysime kitoje pastraipoje.
Fotoelektrinis efektas ir jo lygtis
Ši lygtis yra šiek tiek ilgesnė nei garsusis energijos ir masės santykis. Tai atrodo taip:
hv=A + Ek.
Ši fotoelektrinio efekto lygtis arba Einšteino formulė atspindi proceso esmę: fotonas, kurio energija hv (Planko konstanta, padauginta iš virpesių dažnio), išleidžiamas ryšiui tarp elektrono nutraukti. ir branduolį (A yra elektrono darbo funkcija) ir perduodant neigiamą kinetinės energijos dalelę (Ek).
Aukščiau pateikta formulė leido paaiškinti visas matematines priklausomybes, pastebėtas fotoelektrinio efekto eksperimentuose, ir suformuluoti atitinkami nagrinėjamo reiškinio dėsniai.
Kur naudojamas fotoelektrinis efektas?
Šiuo metu pirmiau išdėstytos Einšteino idėjos taikomos šviesos energiją paversti elektros energija saulės baterijų dėka.
Juose naudojamas vidinis fotoelektrinis efektas, tai yra, iš atomo „ištraukti“elektronai nepalieka medžiagos, o lieka joje. Veiklioji medžiaga yra n ir p tipo silicio puslaidininkiai.
