Albert Einsteinin luultavasti tuntevat kaikki planeettamme asukkaat. Se tunnetaan kuuluisan massan ja energian välisen yhteyden kaavan ansiosta. Hän ei kuitenkaan saanut siitä Nobel-palkintoa. Tässä artikkelissa tarkastelemme kahta Einsteinin kaavaa, jotka muuttivat fyysiset ajatukset ympäröivästä maailmasta 1900-luvun alussa.
Einsteinin hedelmällinen vuosi
Vuonna 1905 Einstein julkaisi useita artikkeleita kerralla, jotka käsittelivät pääasiassa kahta aihetta: hänen kehittämäänsä suhteellisuusteoriaa ja valosähköisen vaikutuksen selitystä. Materiaalit julkaistiin saksalaisessa Annalen der Physik -lehdessä. Jo näiden kahden artikkelin otsikot aiheuttivat hämmennystä tuolloin tiedemiehissä:
- "Riippuuko kehon inertia sen sisältämästä energiasta?";
- "Heuristinen näkökulma valon alkuperään ja muutokseen".
Ensimmäisessä tiedemies mainitsee tällä hetkellä tunnetun Einsteinin suhteellisuusteorian kaavan, joka yhdistäätasainen massan ja energian tasa-arvo. Toinen artikkeli tarjoaa yhtälön valosähköiselle efektille. Molempia kaavoja käytetään tällä hetkellä sekä radioaktiivisten aineiden käsittelyyn että sähköenergian tuottamiseen sähkömagneettisista aalloista.
Erikoissuhteellisuusteorian lyhyt kaava
Einsteinin kehittämä suhteellisuusteoria tarkastelee ilmiöitä, joissa esineiden massat ja niiden liikenopeudet ovat v altavia. Siinä Einstein olettaa, että on mahdotonta liikkua valoa nopeammin missään vertailukehyksessä ja että lähes valonopeuksilla aika-avaruuden ominaisuudet muuttuvat, esimerkiksi aika alkaa hidastua.
Suhteellisuusteoriaa on vaikea ymmärtää loogiselta kann alta, koska se on ristiriidassa tavanomaisten liikekäsitysten kanssa, joiden lait vahvisti Newton 1600-luvulla. Einstein kuitenkin keksi tyylikkään ja yksinkertaisen kaavan monimutkaisista matemaattisista laskelmista:
E=mc2.
Tätä lauseketta kutsutaan Einsteinin energian ja massan kaavaksi. Selvitetään mitä se tarkoittaa.
Massan, energian ja valonnopeuden käsitteet
Ymmärtääksesi paremmin Albert Einsteinin kaavan, sinun tulee ymmärtää yksityiskohtaisesti jokaisen siinä esiintyvän symbolin merkitys.
Aloitetaan massasta. Voit usein kuulla, että tämä fyysinen määrä liittyy kehon sisältämän aineen määrään. Tämä ei ole täysin totta. On oikeampaa määritellä massa inertian mittana. Mitä suurempi vartalo, sitä vaikeampaa on antaa sille tiettyänopeus. Massa mitataan kilogrammoina.
Energiakysymys ei myöskään ole yksinkertainen. Joten sen ilmenemismuotoja on useita: valo ja lämpö, höyry ja sähkö, kineettiset ja potentiaaliset, kemialliset sidokset. Kaikkia näitä energiatyyppejä yhdistää yksi tärkeä ominaisuus - niiden kyky tehdä työtä. Toisin sanoen energia on fyysinen määrä, joka pystyy liikuttamaan kappaleita muiden ulkoisten voimien toimintaa vastaan. SI-mitta on joule.
Mikä on valon nopeus, on suurin piirtein kaikille selvää. Se ymmärretään etäisyydeksi, jonka sähkömagneettinen a alto kulkee aikayksikössä. Tyhjiössä tämä arvo on vakio; missä tahansa muussa todellisessa väliaineessa se pienenee. Valon nopeus mitataan metreinä sekunnissa.
Einsteinin kaavan merkitys
Jos katsot tarkasti tätä yksinkertaista kaavaa, voit nähdä, että massa on suhteessa energiaan vakion (valon nopeuden neliön) kautta. Einstein itse selitti, että massa ja energia ovat saman asian ilmentymiä. Tässä tapauksessa siirtymät m:stä E:hen ja takaisin ovat mahdollisia.
Ennen Einsteinin teorian tuloa tiedemiehet uskoivat, että massan ja energian säilymislait ovat olemassa erikseen ja pätevät kaikkiin suljetuissa järjestelmissä tapahtuviin prosesseihin. Einstein osoitti, että näin ei ole, ja nämä ilmiöt eivät jatku erikseen, vaan yhdessä.
Toinen Einsteinin kaavan piirre eli massan ja energian ekvivalenssilaki on näiden suureiden välinen suhteellisuuskerroin,eli c2. Se on suunnilleen yhtä suuri kuin 1017 m2/s2. Tämä v altava arvo viittaa siihen, että pienikin määrä massaa sisältää v altavia energiavarastoja. Esimerkiksi, jos noudatat tätä kaavaa, vain yksi kuivattu rypäle (rusina) voi tyydyttää kaikki Moskovan energiatarpeet yhdessä päivässä. Toisa alta tämä v altava tekijä selittää myös sen, miksi emme havaitse massamuutoksia luonnossa, koska ne ovat liian pieniä käyttämillemme energia-arvoille.
Kaavan vaikutus 1900-luvun historian kulkuun
Tämän kaavan tuntemisen ansiosta ihminen pystyi hallitsemaan atomienergiaa, jonka v altavat varat selittyvät massan katoamisprosesseilla. Hämmästyttävä esimerkki on uraaniytimen fissio. Jos laskemme yhteen tämän fission jälkeen muodostuneiden kevyiden isotooppien massat, se osoittautuu paljon pienemmäksi kuin alkuperäisen ytimen. Kadonnut massa muuttuu energiaksi.
Ihmisen kyky käyttää atomienergiaa johti reaktorin luomiseen, joka tuottaa sähköä kaupunkien siviiliväestölle, ja kaiken tunnetun historian tappavimman aseen - atomipommin - suunnitteluun.
Ensimmäisen atomipommin ilmestyminen Yhdysv altoihin päätti toisen maailmansodan Japania vastaan etuajassa (Yhdysvallat pudotti nämä pommit kahteen Japanin kaupunkiin vuonna 1945), ja siitä tuli myös tärkein pelote. kolmannen maailmansodan puhkeaminen.
Einstein itse ei tietenkään voinutennakoida löytämänsä kaavan sellaiset seuraukset. Huomaa, että hän ei osallistunut Manhattanin atomiaseiden luomisprojektiin.
Valosähköisen ilmiön ilmiö ja sen selitys
Siirrytään nyt kysymykseen, mistä Albert Einstein sai Nobel-palkinnon 1920-luvun alussa.
Hertzin vuonna 1887 löytämä valosähköilmiö muodostuu vapaiden elektronien ilmaantumisesta tietyn materiaalin pinnan yläpuolelle, jos sitä säteilytetään tietyntaajuisella valolla. Tätä ilmiötä ei voitu selittää 1900-luvun alussa perustetun valon a altoteorian näkökulmasta. Näin ollen ei ollut selvää, miksi valosähköinen vaikutus havaitaan ilman aikaviivettä (alle 1 ns), miksi hidastuspotentiaali ei riipu valonlähteen intensiteetistä. Einstein antoi loistavan selityksen.
Tutkija ehdotti yksinkertaista asiaa: kun valo on vuorovaikutuksessa aineen kanssa, se ei toimi kuin a alto, vaan kuin kudos, kvantti tai energiahyytymä. Alkukäsitteet olivat jo tiedossa - Newton ehdotti korpuskulaariteoriaa 1600-luvun puolivälissä, ja sähkömagneettisen a altokvantin käsitteen esitteli maanmiesfyysikko Max Planck. Einstein pystyi yhdistämään kaiken teorian ja kokeen tiedon. Hän uskoi, että fotoni (valon kvantti), joka on vuorovaikutuksessa vain yhden elektronin kanssa, antaa sille täysin energiansa. Jos tämä energia on tarpeeksi suuri katkaisemaan elektronin ja ytimen välisen sidoksen, niin varautunut alkuainehiukkanen avautuu atomista ja menee vapaaseen tilaan.
Tagged Viewsantoi Einsteinin kirjoittaa valosähköisen vaikutuksen kaavan. Käsittelemme sitä seuraavassa kappaleessa.
Valosähköinen efekti ja sen yhtälö
Tämä yhtälö on hieman pidempi kuin kuuluisa energia-massasuhde. Se näyttää tältä:
hv=A + Ek.
Tämä yhtälö tai Einsteinin kaava valosähköiselle efektille heijastaa prosessissa tapahtuvan olemusta: fotoni, jonka energia on hv (Planckin vakio kerrottuna värähtelytaajuudella) kuluu elektronin välisen sidoksen katkaisemiseen. ja ydin (A on elektronin työfunktio) ja liike-energian negatiivisen hiukkasen välittämisestä (Ek).
Yllä oleva kaava mahdollisti kaikki valosähköistä vaikutusta koskevissa kokeissa havaitut matemaattiset riippuvuudet ja johti vastaavien lakien muotoiluun tarkasteltavalle ilmiölle.
Missä valosähköistä efektiä käytetään?
Tällä hetkellä Einsteinin edellä esitettyjä ideoita sovelletaan valoenergian muuttamiseksi sähköksi aurinkopaneelien ansiosta.
Ne käyttävät sisäistä valosähköistä vaikutusta, eli atomista "ulosvedetyt" elektronit eivät poistu materiaalista, vaan jäävät siihen. Vaikuttava aine on n- ja p-tyypin piipuolijohteet.
