Albert Ajnštajn je verovatno poznat svakom stanovniku naše planete. Poznata je zahvaljujući poznatoj formuli za vezu između mase i energije. Međutim, za to nije dobio Nobelovu nagradu. U ovom članku ćemo razmotriti dvije Einsteinove formule koje su preokrenule fizičke ideje o svijetu oko nas početkom 20. stoljeća.
Einsteinova plodna godina
Ajnštajn je 1905. objavio nekoliko članaka odjednom, koji su se uglavnom bavili dvema temama: teorijom relativnosti koju je razvio i objašnjenjem fotoelektričnog efekta. Materijali su objavljeni u njemačkom časopisu Annalen der Physik. Sami naslovi ova dva članka izazvali su zbunjenost u krugu naučnika tog vremena:
- "Da li inercija tijela zavisi od energije koju sadrži?";
- "Heurističko gledište o porijeklu i transformaciji svjetlosti".
U prvom, naučnik citira trenutno poznatu formulu Ajnštajnove teorije relativnosti, koja kombinujeujednačena jednakost mase i energije. Drugi članak daje jednačinu za fotoelektrični efekat. Obe formule se trenutno koriste i za rad sa radioaktivnom materijom i za generisanje električne energije iz elektromagnetnih talasa.
Kratka formula specijalne relativnosti
Teorija relativnosti koju je razvio Ajnštajn razmatra fenomene kada su mase objekata i njihove brzine kretanja ogromne. U njemu Ajnštajn postulira da je nemoguće kretati se brže od svetlosti u bilo kom referentnom okviru i da pri brzinama skorom svetlosti, svojstva prostorno-vremenske promene, na primer, vreme počinje da se usporava.
Teoriju relativnosti je teško razumjeti sa logičke tačke gledišta, jer je u suprotnosti sa uobičajenim idejama o kretanju, čije je zakone ustanovio Njutn u 17. veku. Međutim, Einstein je došao do elegantne i jednostavne formule iz složenih matematičkih proračuna:
E=mc2.
Ovaj izraz se zove Einsteinova formula za energiju i masu. Hajde da shvatimo šta to znači.
Koncepti mase, energije i brzine svjetlosti
Da biste bolje razumjeli formulu Alberta Einsteina, trebali biste detaljno razumjeti značenje svakog simbola koji je prisutan u njoj.
Počnimo s misom. Često možete čuti da je ova fizička veličina povezana s količinom materije koja se nalazi u tijelu. Ovo nije sasvim tačno. Ispravnije je masu definirati kao mjeru inercije. Što je tijelo veće, to mu je teže dati određenubrzina. Masa se mjeri u kilogramima.
Pitanje energije takođe nije jednostavno. Dakle, postoje razne njegove manifestacije: svjetlosna i toplinska, parna i električna, kinetička i potencijalna, kemijske veze. Sve ove vrste energije objedinjuje jedno važno svojstvo - njihova sposobnost da rade. Drugim riječima, energija je fizička veličina koja je sposobna pokretati tijela protiv djelovanja drugih vanjskih sila. SI mjera je džul.
Kolika je brzina svjetlosti je otprilike svima jasno. Podrazumijeva se kao udaljenost koju elektromagnetski val prijeđe u jedinici vremena. Za vakuum je ova vrijednost konstanta; u bilo kojem drugom realnom mediju, ona se smanjuje. Brzina svjetlosti se mjeri u metrima u sekundi.
Značenje Einsteinove formule
Ako pažljivo pogledate ovu jednostavnu formulu, možete vidjeti da je masa povezana s energijom kroz konstantu (kvadrat brzine svjetlosti). Sam Ajnštajn je objasnio da su masa i energija manifestacije iste stvari. U ovom slučaju su mogući prelazi m u E i nazad.
Prije pojave Ajnštajnove teorije, naučnici su verovali da zakoni održanja mase i energije postoje odvojeno i da važe za sve procese koji se dešavaju u zatvorenim sistemima. Ajnštajn je pokazao da to nije slučaj, i ove pojave ne opstaju odvojeno, već zajedno.
Još jedna karakteristika Ajnštajnove formule ili zakona ekvivalencije mase i energije je koeficijent proporcionalnosti između ovih veličina,tj. c2. To je približno jednako 1017 m2/s2. Ova ogromna vrijednost sugerira da čak i mala količina mase sadrži ogromne rezerve energije. Na primjer, ako slijedite ovu formulu, onda samo jedno sušeno grožđe (suvo grožđe) može zadovoljiti sve energetske potrebe Moskve u jednom danu. S druge strane, ovaj ogroman faktor također objašnjava zašto ne opažamo masovne promjene u prirodi, jer su one premale za energetske vrijednosti koje koristimo.
Uticaj formule na tok istorije 20. veka
Zahvaljujući poznavanju ove formule, osoba je uspjela ovladati atomskom energijom, čije se ogromne rezerve objašnjavaju procesima nestanka mase. Upečatljiv primjer je fisija jezgra uranijuma. Ako zbrojimo masu lakih izotopa nastalih nakon ove fisije, onda će se ispostaviti da je ona mnogo manja od one za originalno jezgro. Nestala masa se pretvara u energiju.
Ljudska sposobnost da koristi atomsku energiju dovela je do stvaranja reaktora koji služi za snabdevanje električnom energijom civilnog stanovništva gradova, kao i do dizajna najsmrtonosnijeg oružja u celoj poznatoj istoriji - atomske bombe.
Pojava prve atomske bombe u Sjedinjenim Državama okončala je Drugi svjetski rat protiv Japana prije roka (1945. godine Sjedinjene Države su bacile ove bombe na dva japanska grada), a također su postale glavno sredstvo odvraćanja od izbijanje Trećeg svetskog rata.
Sam Ajnštajn, naravno, nije mogaoda predvidi takve posljedice formule koju je otkrio. Imajte na umu da nije učestvovao u Manhattan projektu stvaranja atomskog oružja.
Fenomen fotoelektričnog efekta i njegovo objašnjenje
Pređimo sada na pitanje za koje je Albert Einstein dobio Nobelovu nagradu ranih 1920-ih.
Fenomen fotoelektričnog efekta, koji je 1887. godine otkrio Hertz, sastoji se u pojavi slobodnih elektrona iznad površine određenog materijala, ako je ozračen svjetlošću određenih frekvencija. Ovaj fenomen nije bilo moguće objasniti sa stanovišta talasne teorije svetlosti, koja je uspostavljena početkom 20. veka. Dakle, nije bilo jasno zašto se fotoelektrični efekat opaža bez vremenskog kašnjenja (manje od 1 ns), zašto potencijal usporavanja ne zavisi od intenziteta izvora svetlosti. Einstein je dao briljantno objašnjenje.
Naučnik je predložio jednostavnu stvar: kada svetlost stupi u interakciju sa materijom, ona se ne ponaša kao talas, već kao telo, kvant, ugrušak energije. Početni koncepti su već bili poznati - korpuskularnu teoriju predložio je Njutn sredinom 17. veka, a koncept kvanta elektromagnetnih talasa uveo je sunarodnik fizičar Maks Plank. Einstein je uspio spojiti svo znanje teorije i eksperimenta. Vjerovao je da foton (kvant svjetlosti), u interakciji sa samo jednim elektronom, u potpunosti daje svoju energiju. Ako je ova energija dovoljno velika da prekine vezu između elektrona i jezgra, tada se nabijena elementarna čestica otvara iz atoma i prelazi u slobodno stanje.
Tagged Viewsomogućio je Ajnštajnu da zapiše formulu za fotoelektrični efekat. Razmotrit ćemo to u sljedećem pasusu.
Fotoelektrični efekat i njegova jednačina
Ova jednačina je nešto duža od poznate relacije energija-masa. To izgleda ovako:
hv=A + Ek.
Ova jednačina ili Ajnštajnova formula za fotoelektrični efekat odražava suštinu onoga što se dešava u procesu: foton sa energijom hv (Plankova konstanta pomnožena sa frekvencijom oscilovanja) troši se na prekid veze između elektrona i jezgra (A je radna funkcija elektrona) i o prenošenju negativne čestice kinetičke energije (Ek).
Navedena formula je omogućila da se objasne sve matematičke zavisnosti uočene u eksperimentima o fotoelektričnom efektu i dovela do formulacije odgovarajućih zakona za fenomen koji se razmatra.
Gdje se koristi fotoelektrični efekat?
Trenutno se gore navedene Einsteinove ideje primjenjuju za pretvaranje svjetlosne energije u električnu zahvaljujući solarnim panelima.
Koriste unutrašnji fotoelektrični efekat, odnosno, elektroni "izvučeni" iz atoma ne napuštaju materijal, već ostaju u njemu. Aktivna supstanca su silicijumski poluprovodnici n- i p-tipa.
