Albert Einstein vjerojatno je 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 razmotrit ćemo dvije Einsteinove formule koje su preokrenule fizičke ideje o svijetu oko nas početkom 20. stoljeća.
Einsteinova plodna godina
Godine 1905. Einstein je objavio nekoliko članaka odjednom, koji su se uglavnom bavili dvjema 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 znanstvenika tog vremena:
- "Ovisi li inercija tijela o energiji koju sadrži?";
- "Heurističko gledište o podrijetlu i transformaciji svjetlosti".
U prvom, znanstvenik citira trenutno poznatu formulu Einsteinove teorije relativnosti, koja kombiniraujednačena jednakost mase i energije. Drugi članak daje jednadžbu za fotoelektrični efekt. Obje formule trenutno se koriste i za rad s radioaktivnom tvari i za generiranje električne energije iz elektromagnetskih valova.
Kratka formula specijalne relativnosti
Teorija relativnosti koju je razvio Einstein razmatra fenomene kada su mase objekata i njihove brzine kretanja ogromne. U njemu Einstein postulira da je nemoguće kretati se brže od svjetlosti u bilo kojem referentnom okviru i da se pri brzinama blizu svjetlosti, svojstva prostorno-vremenske promjene, na primjer, vrijeme počinje usporavati.
Teoriju relativnosti teško je razumjeti s logičke točke gledišta, jer je u suprotnosti s uobičajenim idejama o gibanju, čije je zakone ustanovio Newton u 17. stoljeću. Međutim, Einstein je došao do elegantne i jednostavne formule iz složenih matematičkih izračuna:
E=mc2.
Ovaj izraz se zove Einsteinova formula za energiju i masu. Hajdemo shvatiti što 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 tvari sadržane u tijelu. Ovo nije sasvim točno. Ispravnije je masu definirati kao mjeru inercije. Što je tijelo veće, to mu je teže dati određenuubrzati. Masa se mjeri u kilogramima.
Pitanje energije također nije jednostavno. Dakle, postoje razne njegove manifestacije: svjetlosne i toplinske, parne i električne, kinetičke i potencijalne, kemijske veze. Sve ove vrste energije objedinjuje jedno važno svojstvo - njihova sposobnost obavljanja posla. Drugim riječima, energija je fizička veličina koja je sposobna kretati tijela protiv djelovanja drugih vanjskih sila. SI mjera je džul.
Kolika je brzina svjetlosti otprilike je svima jasno. Podrazumijeva se kao udaljenost koju elektromagnetski val prijeđe u jedinici vremena. Za vakuum je ta vrijednost konstanta; u bilo kojem drugom stvarnom mediju, ona se smanjuje. Brzina svjetlosti mjeri se 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 Einstein je objasnio da su masa i energija manifestacije iste stvari. U ovom slučaju mogući su prijelazi m u E i natrag.
Prije pojave Einsteinove teorije, znanstvenici su vjerovali da zakoni održanja mase i energije postoje odvojeno i da vrijede za sve procese koji se odvijaju u zatvorenim sustavima. Einstein je pokazao da to nije slučaj, te da ti fenomeni ne traju odvojeno, već zajedno.
Još jedna značajka Einsteinove formule ili zakona ekvivalentnosti mase i energije je koeficijent proporcionalnosti između ovih veličina,tj. c2. Približno je 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 (grožđice) 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.
Utjecaj formule na tijek povijesti 20. stoljeća
Zahvaljujući poznavanju ove formule, osoba je uspjela ovladati atomskom energijom, čije se ogromne rezerve objašnjavaju procesima nestanka mase. Upečatljiv primjer je fisija jezgre urana. Ako zbrojimo masu svjetlosnih izotopa nastalih nakon ove fisije, onda će se ispostaviti da je ona mnogo manja od one za izvornu jezgru. Nestala masa pretvara se u energiju.
Ljudska sposobnost korištenja atomske energije dovela je do stvaranja reaktora koji služi za opskrbu električnom energijom civilnog stanovništva gradova, te do dizajna najsmrtonosnijeg oružja u cijeloj poznatoj povijesti - atomske bombe.
Pojava prve atomske bombe u Sjedinjenim Državama okončala je Drugi svjetski rat protiv Japana prije roka (1945. Sjedinjene Države bacile su te bombe na dva japanska grada), a također su postale glavno sredstvo odvraćanja od izbijanje Trećeg svjetskog rata.
Sam Einstein, naravno, nije mogaoda predvidi takve posljedice formule koju je otkrio. Imajte na umu da nije sudjelovao u Manhattanskom projektu stvaranja atomskog oružja.
Fenomen fotoelektričnog efekta i njegovo objašnjenje
A sada prijeđimo 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. Ovu pojavu nije bilo moguće objasniti sa stajališta valne teorije svjetlosti, koja je uspostavljena početkom 20. stoljeća. Dakle, nije bilo jasno zašto se fotoelektrični efekt opaža bez vremenske odgode (manje od 1 ns), zašto potencijal usporavanja ne ovisi o intenzitetu izvora svjetlosti. Einstein je dao briljantno objašnjenje.
Znanstvenik je predložio jednostavnu stvar: kada svjetlost stupi u interakciju s materijom, ona se ne ponaša kao val, već kao tijelo, kvant, ugrušak energije. Početni koncepti bili su već poznati – korpuskularnu teoriju predložio je Newton sredinom 17. stoljeća, a koncept kvanta elektromagnetskih valova uveo je sunarodnjak fizičar Max Planck. 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 ta energija dovoljno velika da prekine vezu između elektrona i jezgre, tada se nabijena elementarna čestica otvara iz atoma i prelazi u slobodno stanje.
Označeni prikaziomogućio Einsteinu da zapiše formulu za fotoelektrični efekt. Razmotrit ćemo to u sljedećem odlomku.
Fotoelektrični efekt i njegova jednadžba
Ova jednadžba je nešto duža od poznate relacije energija-masa. To izgleda ovako:
hv=A + Ek.
Ova jednadžba ili Einsteinova formula za fotoelektrični efekt odražava suštinu onoga što se događa u procesu: foton s energijom hv (Planckova konstanta pomnožena s frekvencijom osciliranja) troši se na prekid veze između elektrona i jezgre (A je radna funkcija elektrona) i o komuniciranju negativne čestice kinetičke energije (Ek).
Navedena formula omogućila je objašnjenje svih matematičkih ovisnosti uočenih u eksperimentima o fotoelektričnom efektu i dovela do formulacije odgovarajućih zakona za fenomen koji se razmatra.
Gdje se koristi fotoelektrični efekt?
Trenutno se Einsteinove ideje gore navedene za pretvaranje svjetlosne energije u električnu zahvaljujući solarnim panelima.
Koriste unutarnji fotoelektrični efekt, odnosno, elektroni "izvučeni" iz atoma ne napuštaju materijal, već ostaju u njemu. Djelatna tvar su silicijski poluvodiči n- i p-tipa.
