Albert Einstein är förmodligen känd för alla invånare på vår planet. Det är känt tack vare den berömda formeln för sambandet mellan massa och energi. Han fick dock inte Nobelpriset för det. I den här artikeln kommer vi att överväga två Einstein-formler som vände de fysiska idéerna om världen omkring oss i början av 1900-talet.
Einsteins fruktbara år
År 1905 publicerade Einstein flera artiklar på en gång, som huvudsakligen handlade om två ämnen: relativitetsteorin han utvecklade och förklaringen av den fotoelektriska effekten. Materialet publicerades i den tyska tidskriften Annalen der Physik. Själva titlarna på dessa två artiklar orsakade förvirring i kretsen av forskare på den tiden:
- "Beroer en kropps tröghet på energin den innehåller?";
- "En heuristisk synpunkt på ljusets ursprung och omvandling".
I den första citerar vetenskapsmannen den för närvarande kända formeln för Einsteins relativitetsteori, som kombinerarenhetlig jämlikhet mellan massa och energi. Den andra artikeln ger en ekvation för den fotoelektriska effekten. Båda formlerna används för närvarande både för att arbeta med radioaktivt material och för att generera elektrisk energi från elektromagnetiska vågor.
Kort formel för speciell relativitetsteori
Relativitetsteorin som utvecklats av Einstein tar hänsyn till fenomenen när massan av föremål och deras rörelsehastigheter är enorma. I den postulerar Einstein att det är omöjligt att röra sig snabbare än ljus i någon referensram, och att vid nästan ljushastigheter förändras egenskaperna hos rum-tid, till exempel börjar tiden sakta ner.
Relativitetsteorin är svår att förstå ur en logisk synvinkel, eftersom den strider mot de vanliga idéerna om rörelse, vars lagar fastställdes av Newton på 1600-talet. Men Einstein kom på en elegant och enkel formel från komplexa matematiska beräkningar:
E=mc2.
Detta uttryck kallas Einsteins formel för energi och massa. Låt oss ta reda på vad det betyder.
Begreppen massa, energi och ljusets hastighet
För att bättre förstå Albert Einsteins formel bör du i detalj förstå innebörden av varje symbol som finns i den.
Låt oss börja med mässan. Du kan ofta höra att denna fysiska mängd är relaterad till mängden materia som finns i kroppen. Detta är inte helt sant. Det är mer korrekt att definiera massa som ett mått på tröghet. Ju större kroppen är, desto svårare är det att ge den en visshastighet. Massan mäts i kilogram.
Frågan om energi är inte heller enkel. Så det finns en mängd olika manifestationer: ljus och termisk, ånga och elektrisk, kinetisk och potentiell, kemiska bindningar. Alla dessa typer av energi förenas av en viktig egenskap - deras förmåga att utföra arbete. Med andra ord är energi en fysisk storhet som är kapabel att förflytta kroppar mot inverkan av andra yttre krafter. SI-måttet är joule.
Vad är ljusets hastighet är ungefär klart för alla. Det förstås som det avstånd som en elektromagnetisk våg färdas per tidsenhet. För vakuum är detta värde en konstant, i vilket annat verkligt medium som helst minskar det. Ljusets hastighet mäts i meter per sekund.
Betydningen av Einsteins formel
Om du tittar noga på denna enkla formel kan du se att massa är relaterad till energi genom en konstant (kvadraten på ljusets hastighet). Einstein själv förklarade att massa och energi är manifestationer av samma sak. I det här fallet är övergångar m till E och tillbaka möjliga.
Före tillkomsten av Einsteins teori trodde forskare att lagarna för bevarande av massa och energi existerar separat och är giltiga för alla processer som sker i slutna system. Einstein visade att så inte är fallet, och dessa fenomen kvarstår inte separat, utan tillsammans.
En annan egenskap hos Einsteins formel eller lagen om ekvivalens mellan massa och energi är proportionalitetskoefficienten mellan dessa storheter,dvs c2. Det är ungefär lika med 1017 m2/s2. Detta enorma värde tyder på att även en liten mängd massa innehåller enorma energireserver. Till exempel, om du följer den här formeln, kan bara en torkad druva (russin) tillfredsställa alla energibehov i Moskva på en dag. Å andra sidan förklarar denna enorma faktor också varför vi inte observerar massförändringar i naturen, eftersom de är för små för de energivärden vi använder.
Formelns inflytande på 1900-talets historia
Tack vare kunskapen om denna formel kunde en person bemästra atomenergi, vars enorma reserver förklaras av processerna för massans försvinnande. Ett slående exempel är klyvningen av urankärnan. Om vi summerar massan av de lätta isotoper som bildas efter denna klyvning, kommer den att visa sig vara mycket mindre än den för den ursprungliga kärnan. Försvunnen massa förvandlas till energi.
Människans förmåga att använda atomenergi ledde till skapandet av en reaktor som tjänar till att tillhandahålla elektricitet till civilbefolkningen i städer, och till utformningen av det dödligaste vapnet i all känd historia - atombomben.
Uppkomsten av den första atombomben i USA avslutade andra världskriget mot Japan före schemat (1945 släppte USA dessa bomber över två japanska städer), och blev också det främsta avskräckningsmedlet för tredje världskrigets utbrott.
Einstein själv kunde naturligtvis inteatt förutse sådana konsekvenser av den formel han upptäckte. Observera att han inte deltog i Manhattan-projektet för att skapa atomvapen.
Fenomenet med den fotoelektriska effekten och dess förklaring
Låt oss nu gå vidare till frågan för vilken Albert Einstein tilldelades Nobelpriset i början av 1920-talet.
Fenomenet med den fotoelektriska effekten, upptäckt 1887 av Hertz, består i uppkomsten av fria elektroner ovanför ytan av ett visst material, om det bestrålas med ljus av vissa frekvenser. Det gick inte att förklara detta fenomen utifrån vågteorin om ljus, som etablerades i början av 1900-talet. Således var det inte klart varför den fotoelektriska effekten observeras utan tidsfördröjning (mindre än 1 ns), varför retardationspotentialen inte beror på ljuskällans intensitet. Einstein gav en lysande förklaring.
Forskaren föreslog en enkel sak: när ljus interagerar med materia, beter sig det inte som en våg, utan som en kropp, ett kvantum, en energiklump. De första begreppen var redan kända - den korpuskulära teorin föreslogs av Newton i mitten av 1600-talet, och begreppet elektromagnetisk vågkvanta introducerades av landsmannen fysikern Max Planck. Einstein kunde samla all kunskap om teori och experiment. Han trodde att en foton (ljuskvantum), som interagerar med bara en elektron, helt ger den sin energi. Om denna energi är tillräckligt stor för att bryta bindningen mellan elektronen och kärnan, öppnar sig den laddade elementarpartikeln från atomen och går in i ett fritt tillstånd.
Taggade visningarlät Einstein skriva ner formeln för den fotoelektriska effekten. Vi kommer att överväga det i nästa stycke.
Fotoelektrisk effekt och dess ekvation
Den här ekvationen är lite längre än den berömda energi-massa-relationen. Det ser ut så här:
hv=A + Ek.
Denna ekvation eller Einsteins formel för den fotoelektriska effekten återspeglar essensen av vad som händer i processen: en foton med energi hv (Plancks konstant multiplicerad med oscillationsfrekvensen) spenderas på att bryta bindningen mellan elektronen och kärnan (A är elektronens arbetsfunktion) och på att kommunicera en negativ partikel av kinetisk energi (Ek).
Ovanstående formel gjorde det möjligt att förklara alla matematiska beroenden som observerats i experiment på den fotoelektriska effekten och ledde till formuleringen av motsvarande lagar för fenomenet i fråga.
Var används den fotoelektriska effekten?
För närvarande används Einsteins idéer ovan för att omvandla ljusenergi till elektricitet tack vare solpaneler.
De använder en intern fotoelektrisk effekt, det vill säga elektronerna som "dras ut" från atomen lämnar inte materialet, utan stannar kvar i det. Den aktiva substansen är halvledare av n- och p-typ.
