Albert Einsteint valószínűleg bolygónk minden lakója ismeri. A tömeg és az energia kapcsolatának híres képletének köszönhetően ismert. Nobel-díjat azonban nem kapott érte. Ebben a cikkben két Einstein-képletet fogunk megvizsgálni, amelyek a 20. század elején megváltoztatták a minket körülvevő világról alkotott fizikai elképzeléseket.
Einstein gyümölcsöző éve
1905-ben Einstein egyszerre több cikket publikált, amelyek főleg két témával foglalkoztak: az általa kidolgozott relativitáselmélettel és a fotoelektromos hatás magyarázatával. Az anyagok a német Annalen der Physik folyóiratban jelentek meg. Már a két cikk címe is megdöbbenést keltett az akkori tudósok körében:
- "A test tehetetlensége függ a benne lévő energiától?";
- "A fény keletkezésének és átalakulásának heurisztikus nézőpontja".
Az elsőben a tudós Einstein relativitáselméletének jelenleg ismert képletét idézi, amely egyesítiegyenletes tömeg- és energiaegyenlőség. A második cikk a fotoelektromos hatás egyenletét adja meg. Jelenleg mindkét képletet radioaktív anyagokkal való munkavégzésre és elektromágneses hullámokból elektromos energia előállítására is használják.
A speciális relativitáselmélet rövid képlete
Az Einstein által kidolgozott relativitáselmélet azokat a jelenségeket veszi figyelembe, amikor a tárgyak tömege és mozgási sebességük hatalmas. Ebben Einstein azt állítja, hogy lehetetlen a fénynél gyorsabban mozogni bármely vonatkoztatási rendszerben, és hogy a fényhez közeli sebességeknél a téridő tulajdonságai megváltoznak, például az idő lassulni kezd.
A relativitáselmélet logikai szempontból nehezen érthető, mert ellentmond a mozgásról szóló szokásos elképzeléseknek, amelyek törvényeit Newton állapította meg a 17. században. Einstein azonban egy elegáns és egyszerű képletet talált ki összetett matematikai számításokból:
E=mc2.
Ezt a kifejezést Einstein energia- és tömegképletének nevezik. Találjuk ki, mit jelent.
A tömeg, az energia és a fénysebesség fogalma
Ahhoz, hogy jobban megértsük Albert Einstein képletét, részletesen meg kell értenie a benne szereplő szimbólumok jelentését.
Kezdjük a misével. Gyakran hallani, hogy ez a fizikai mennyiség összefüggésben van a testben lévő anyag mennyiségével. Ez nem teljesen igaz. Helyesebb a tömeget a tehetetlenség mértékeként meghatározni. Minél nagyobb a test, annál nehezebb bizonyosságot adni nekisebesség. A tömeget kilogrammban mérik.
Az energia kérdése sem egyszerű. Tehát sokféle megnyilvánulása van: fény és termikus, gőz és elektromos, kinetikus és potenciális, kémiai kötések. Az összes ilyen típusú energiát egyetlen fontos tulajdonság egyesíti - a munkavégzés képessége. Más szóval, az energia olyan fizikai mennyiség, amely képes testeket mozgatni más külső erők hatására. Az SI mértéke a joule.
A fénysebesség nagyjából mindenki számára világos. Az a távolság, amelyet egy elektromágneses hullám időegység alatt megtesz. Vákuum esetén ez az érték állandó, minden más valós közegben csökken. A fény sebességét méter per másodpercben mérik.
Einstein képletének jelentése
Ha figyelmesen megnézi ezt az egyszerű képletet, láthatja, hogy a tömeg egy állandó (a fénysebesség négyzete) révén kapcsolódik az energiához. Maga Einstein kifejtette, hogy a tömeg és az energia ugyanannak a dolognak a megnyilvánulásai. Ebben az esetben lehetséges az m átmenet E-be és vissza.
Einstein elméletének megjelenése előtt a tudósok úgy gondolták, hogy a tömeg- és energiamegmaradás törvényei külön-külön léteznek, és minden zárt rendszerekben végbemenő folyamatra érvényesek. Einstein megmutatta, hogy ez nem így van, és ezek a jelenségek nem külön-külön, hanem együtt maradnak fenn.
Einstein képletének vagy a tömeg és az energia ekvivalenciájának törvényének másik jellemzője a mennyiségek közötti arányossági együttható,azaz c2. Ez megközelítőleg egyenlő: 1017 m2/s2. Ez a hatalmas érték azt sugallja, hogy már kis mennyiségű tömeg is hatalmas energiatartalékokat tartalmaz. Például, ha követi ezt a képletet, akkor egyetlen szárított szőlő (mazsola) egy nap alatt kielégítheti Moszkva összes energiaszükségletét. Másrészt ez a hatalmas tényező azt is megmagyarázza, hogy miért nem figyelünk meg tömeges változásokat a természetben, mert azok túl kicsik az általunk használt energiaértékekhez.
A képlet hatása a XX. század történetének menetére
E képlet ismeretének köszönhetően az ember képes volt elsajátítani az atomenergiát, amelynek hatalmas tartalékait a tömeg eltűnésének folyamatai magyarázzák. Feltűnő példa erre az uránmag hasadása. Ha összeadjuk a hasadás után keletkezett könnyű izotópok tömegét, akkor az sokkal kisebb lesz, mint az eredeti magé. Az eltűnt tömeg energiává változik.
Az emberi képesség az atomenergiára egy olyan reaktor létrehozásához vezetett, amely a városok polgári lakosságának áramellátását szolgálja, valamint a történelem leghalálosabb fegyverét, az atombombát.
Az első atombomba megjelenése az Egyesült Államokban idő előtt véget vetett a Japán elleni második világháborúnak (1945-ben az Egyesült Államok két japán városra dobta le ezeket a bombákat), és egyben a fő elrettentő tényezővé is vált a Japán elleni küzdelemben. a harmadik világháború kitörése.
Maga Einstein természetesen nem tehettehogy előre látja az általa felfedezett képlet ilyen következményeit. Vegye figyelembe, hogy nem vett részt az atomfegyverek létrehozására irányuló Manhattan projektben.
A fotoelektromos hatás jelensége és magyarázata
Most térjünk át arra a kérdésre, amelyért Albert Einsteint Nobel-díjjal tüntették ki az 1920-as évek elején.
A fotoelektromos hatás jelensége, amelyet 1887-ben fedezett fel Hertz, abban áll, hogy szabad elektronok jelennek meg egy bizonyos anyag felülete felett, ha azt bizonyos frekvenciájú fénnyel sugározzák be. Ezt a jelenséget a XX. század elején kialakult fényhullámelmélet szemszögéből nem lehetett megmagyarázni. Így nem volt világos, hogy a fotoelektromos hatás miért figyelhető meg időkésleltetés nélkül (kevesebb, mint 1 ns), miért nem függ a lassító potenciál a fényforrás intenzitásától. Einstein zseniális magyarázatot adott.
A tudós egy egyszerű dolgot javasolt: amikor a fény kölcsönhatásba lép az anyaggal, akkor nem hullámként viselkedik, hanem testtestként, kvantumként vagy energiarögként. A kezdeti fogalmak már ismertek voltak – a korpuszkuláris elméletet Newton javasolta a 17. század közepén, az elektromágneses hullámkvantumok fogalmát pedig honfitársa, Max Planck fizikus vezette be. Einstein képes volt egyesíteni az elmélet és a kísérlet minden tudását. Úgy vélte, hogy egy foton (fénykvantum), amely csak egyetlen elektronnal lép kölcsönhatásba, teljesen átadja az energiáját. Ha ez az energia elég nagy ahhoz, hogy megszakítsa az elektron és az atommag közötti kötést, akkor a töltött elemi részecske kinyílik az atomból, és szabad állapotba kerül.
Címkézett megtekintéseklehetővé tette Einsteinnek, hogy leírja a fotoelektromos hatás képletét. A következő bekezdésben megvizsgáljuk.
Fotoelektromos hatás és egyenlete
Ez az egyenlet egy kicsit hosszabb, mint a híres energia-tömeg összefüggés. Így néz ki:
hv=A + Ek.
Ez az egyenlet vagy Einstein képlete a fotoelektromos hatásra a folyamat lényegét tükrözi: egy hv energiájú fotont (Planck-állandó szorozva az oszcillációs frekvenciával) az elektron közötti kötés megszakítására fordítják. és az atommag (A az elektron munkafüggvénye) és egy negatív mozgási energiájú részecske kommunikálása (Ek).
A fenti képlet lehetővé tette a fotoelektromos effektussal kapcsolatos kísérletekben megfigyelt összes matematikai függőség megmagyarázását, és a vizsgált jelenségre vonatkozó megfelelő törvények megfogalmazásához vezetett.
Hol használják a fotoelektromos effektust?
Jelenleg Einstein fent vázolt ötleteit alkalmazzák a fényenergia elektromos árammá alakítására a napelemeknek köszönhetően.
Belső fotoelektromos hatást alkalmaznak, vagyis az atomból "kihúzott" elektronok nem hagyják el az anyagot, hanem benne maradnak. A hatóanyag n- és p-típusú szilícium félvezetők.
