Albert Einstein er sandsynligvis kendt af alle indbyggere på vores planet. Det er kendt takket være den berømte formel for forbindelsen mellem masse og energi. Det fik han dog ikke Nobelprisen for. I denne artikel vil vi overveje to Einstein-formler, der vendte de fysiske ideer om verden omkring os i begyndelsen af det 20. århundrede.
Einsteins frugtbare år
I 1905 udgav Einstein adskillige artikler på én gang, som hovedsageligt omhandlede to emner: relativitetsteorien, han udviklede, og forklaringen af den fotoelektriske effekt. Materialerne blev offentliggjort i det tyske tidsskrift Annalen der Physik. Selve titlerne på disse to artikler vakte forvirring i kredsen af videnskabsmænd på det tidspunkt:
- "Afhænger en krops inerti af den energi, den indeholder?";
- "Et heuristisk synspunkt på lysets oprindelse og transformation".
I den første citerer videnskabsmanden den i øjeblikket kendte formel for Einsteins relativitetsteori, som kombinererensartet lighed mellem masse og energi. Den anden artikel giver en ligning for den fotoelektriske effekt. Begge formler bruges i øjeblikket både til at arbejde med radioaktivt stof og til at generere elektrisk energi fra elektromagnetiske bølger.
Kort formel for speciel relativitet
Relativitetsteorien udviklet af Einstein betragter fænomenerne, når masserne af objekter og deres bevægelseshastigheder er enorme. Heri postulerer Einstein, at det er umuligt at bevæge sig hurtigere end lyset i enhver referenceramme, og at ved nær-lys-hastigheder ændres egenskaberne ved rum-tid, for eksempel begynder tiden at blive langsommere.
Relativitetsteorien er svær at forstå ud fra et logisk synspunkt, fordi den er i modstrid med de sædvanlige ideer om bevægelse, hvis love blev etableret af Newton i det 17. århundrede. Men Einstein fandt på en elegant og enkel formel ud fra komplekse matematiske beregninger:
E=mc2.
Dette udtryk kaldes Einsteins formel for energi og masse. Lad os finde ud af, hvad det betyder.
Begreberne masse, energi og lysets hastighed
For bedre at forstå Albert Einsteins formel, bør du i detaljer forstå betydningen af hvert symbol, der er til stede i den.
Lad os starte med messen. Du kan ofte høre, at denne fysiske mængde er relateret til mængden af stof i kroppen. Dette er ikke helt rigtigt. Det er mere korrekt at definere masse som et mål for inerti. Jo større kroppen er, jo sværere er det at give den en visfart. Massen måles i kilogram.
Spørgsmålet om energi er heller ikke enkelt. Så der er en række af dens manifestationer: lys og termisk, damp og elektrisk, kinetiske og potentielle, kemiske bindinger. Alle disse typer energi er forenet af en vigtig egenskab - deres evne til at udføre arbejde. Med andre ord er energi en fysisk størrelse, der er i stand til at bevæge kroppe mod påvirkning af andre ydre kræfter. SI-målet er joule.
Hvad lysets hastighed er, er nogenlunde klart for alle. Det forstås som den afstand, en elektromagnetisk bølge tilbagelægger pr. tidsenhed. For vakuum er denne værdi en konstant; i ethvert andet virkeligt medium falder den. Lysets hastighed måles i meter per sekund.
Betydningen af Einsteins formel
Hvis du ser nærmere på denne simple formel, kan du se, at masse er relateret til energi gennem en konstant (kvadraten for lysets hastighed). Einstein forklarede selv, at masse og energi er manifestationer af det samme. I dette tilfælde er overgange m til E og tilbage mulige.
Før fremkomsten af Einsteins teori troede videnskabsmænd, at lovene om bevarelse af masse og energi eksisterer separat og er gyldige for alle processer, der forekommer i lukkede systemer. Einstein viste, at dette ikke er tilfældet, og disse fænomener fortsætter ikke hver for sig, men sammen.
Et andet træk ved Einsteins formel eller loven om ækvivalens mellem masse og energi er proportionalitetskoefficienten mellem disse størrelser,dvs. c2. Det er omtrent lig med 1017 m2/s2. Denne enorme værdi antyder, at selv en lille mængde masse indeholder enorme reserver af energi. For eksempel, hvis du følger denne formel, så kan kun en tørret drue (rosin) tilfredsstille alle energibehovene i Moskva på en dag. På den anden side forklarer denne enorme faktor også, hvorfor vi ikke observerer masseændringer i naturen, fordi de er for små til de energiværdier, vi bruger.
Formlens indflydelse på forløbet af det 20. århundredes historie
Takket være kendskabet til denne formel var en person i stand til at mestre atomenergi, hvis enorme reserver forklares af processerne for massens forsvinden. Et slående eksempel er sp altningen af urankernen. Hvis vi summerer massen af de lette isotoper dannet efter denne fission, så vil den vise sig at være meget mindre end for den oprindelige kerne. Forsvundet masse bliver til energi.
Menneskets evne til at bruge atomenergi førte til skabelsen af en reaktor, der tjener til at levere elektricitet til civilbefolkningen i byer, og til designet af det mest dødbringende våben i al kendt historie - atombomben.
Udkomsten af den første atombombe i USA afsluttede Anden Verdenskrig mod Japan før tidsplanen (i 1945 kastede USA disse bomber over to japanske byer), og blev også den vigtigste afskrækkende virkning på udbrud af den tredje verdenskrig.
Einstein selv kunne selvfølgelig ikkeat forudse sådanne konsekvenser af den formel, han opdagede. Bemærk, at han ikke deltog i Manhattan-projektet for at skabe atomvåben.
Fænomenet med den fotoelektriske effekt og dens forklaring
Lad os nu gå videre til spørgsmålet, som Albert Einstein blev tildelt Nobelprisen for i begyndelsen af 1920'erne.
Fænomenet med den fotoelektriske effekt, opdaget i 1887 af Hertz, består i fremkomsten af frie elektroner over overfladen af et bestemt materiale, hvis det bestråles med lys af bestemte frekvenser. Det var ikke muligt at forklare dette fænomen ud fra bølgeteorien om lys, som blev etableret i begyndelsen af det 20. århundrede. Det var således ikke klart, hvorfor den fotoelektriske effekt observeres uden tidsforsinkelse (mindre end 1 ns), hvorfor decelerationspotentialet ikke afhænger af lyskildens intensitet. Einstein gav en genial forklaring.
Forskeren foreslog en simpel ting: Når lys interagerer med stof, opfører det sig ikke som en bølge, men som et blodlegeme, et kvante, en energiklump. De indledende begreber var allerede kendt - den korpuskulær teori blev foreslået af Newton i midten af det 17. århundrede, og begrebet elektromagnetiske bølgekvanter blev introduceret af landsmanden fysiker Max Planck. Einstein var i stand til at samle al viden om teori og eksperimenter. Han troede, at en foton (lyskvante), der interagerer med kun en elektron, fuldstændig giver den sin energi. Hvis denne energi er stor nok til at bryde bindingen mellem elektronen og kernen, åbner den ladede elementarpartikel sig fra atomet og går i en fri tilstand.
Tagdede visningertillod Einstein at nedskrive formlen for den fotoelektriske effekt. Vi vil overveje det i næste afsnit.
Fotoelektrisk effekt og dens ligning
Denne ligning er en smule længere end den berømte energi-masse-relation. Det ser sådan ud:
hv=A + Ek.
Denne ligning eller Einsteins formel for den fotoelektriske effekt afspejler essensen af, hvad der sker i processen: en foton med energi hv (Plancks konstant ganget med oscillationsfrekvensen) bruges på at bryde bindingen mellem elektronen og kernen (A er elektronens arbejdsfunktion) og på at kommunikere en negativ partikel af kinetisk energi (Ek).
Ovenstående formel gjorde det muligt at forklare alle de matematiske afhængigheder observeret i eksperimenter med den fotoelektriske effekt og førte til formuleringen af de tilsvarende love for det pågældende fænomen.
Hvor bruges den fotoelektriske effekt?
I øjeblikket anvendes Einsteins ideer skitseret ovenfor til at omdanne lysenergi til elektricitet takket være solpaneler.
De bruger en intern fotoelektrisk effekt, det vil sige, at elektronerne "trukket ud" fra atomet ikke forlader materialet, men forbliver i det. Det aktive stof er n- og p-type siliciumhalvledere.
