Albert Einstein është ndoshta i njohur për çdo banor të planetit tonë. Njihet falë formulës së famshme për lidhjen midis masës dhe energjisë. Megjithatë, ai nuk mori çmimin Nobel për këtë. Në këtë artikull, ne do të shqyrtojmë dy formula të Ajnshtajnit që kthyen idetë fizike për botën rreth nesh në fillim të shekullit të 20-të.
viti frytdhënës i Ajnshtajnit
Në vitin 1905, Ajnshtajni botoi disa artikuj njëherësh, të cilët trajtonin kryesisht dy tema: teorinë e relativitetit që ai zhvilloi dhe shpjegimin e efektit fotoelektrik. Materialet u botuan në revistën gjermane Annalen der Physik. Vetë titujt e këtyre dy artikujve shkaktuan hutim në rrethin e shkencëtarëve të asaj kohe:
- "A varet inercia e një trupi nga energjia që përmban?";
- "Një këndvështrim heuristik mbi origjinën dhe transformimin e dritës".
Në të parën, shkencëtari citon formulën e njohur aktualisht të teorisë së relativitetit të Ajnshtajnit, e cila kombinonbarazi uniforme të masës dhe energjisë. Artikulli i dytë ofron një ekuacion për efektin fotoelektrik. Të dyja formulat përdoren aktualisht si për të punuar me lëndë radioaktive ashtu edhe për të gjeneruar energji elektrike nga valët elektromagnetike.
Formula e shkurtër e relativitetit special
Teoria e relativitetit e zhvilluar nga Ajnshtajni merr në konsideratë fenomenet kur masat e objekteve dhe shpejtësia e tyre e lëvizjes janë të mëdha. Në të, Ajnshtajni postulon se është e pamundur të lëvizësh më shpejt se drita në çdo kornizë referimi dhe se me shpejtësi afër dritës, vetitë e hapësirë-kohës ndryshojnë, për shembull, koha fillon të ngadalësohet.
Teoria e relativitetit është e vështirë për t'u kuptuar nga pikëpamja logjike, sepse ajo bie në kundërshtim me idetë e zakonshme rreth lëvizjes, ligjet e të cilave u vendosën nga Njutoni në shekullin e 17-të. Megjithatë, Ajnshtajni doli me një formulë elegante dhe të thjeshtë nga llogaritjet komplekse matematikore:
E=mc2.
Kjo shprehje quhet formula e Ajnshtajnit për energjinë dhe masën. Le të kuptojmë se çfarë do të thotë.
Konceptet e masës, energjisë dhe shpejtësisë së dritës
Për të kuptuar më mirë formulën e Albert Ajnshtajnit, duhet të kuptoni në detaje kuptimin e çdo simboli që është i pranishëm në të.
Le të fillojmë me masën. Shpesh mund të dëgjoni se kjo sasi fizike lidhet me sasinë e lëndës që përmban trupi. Kjo nuk është plotësisht e vërtetë. Është më e saktë të përcaktohet masa si masë e inercisë. Sa më i madh të jetë trupi, aq më e vështirë është t'i japësh një sigurishpejtësia. Masa matet në kilogramë.
Çështja e energjisë gjithashtu nuk është e thjeshtë. Pra, ka një shumëllojshmëri të manifestimeve të saj: lidhjet e lehta dhe termike, avulli dhe elektrike, kinetike dhe potenciale, lidhje kimike. Të gjitha këto lloje të energjisë bashkohen nga një pronë e rëndësishme - aftësia e tyre për të bërë punë. Me fjalë të tjera, energjia është një sasi fizike që është e aftë të lëvizë trupat kundër veprimit të forcave të tjera të jashtme. Masa SI është xhaul.
Sa është shpejtësia e dritës është afërsisht e qartë për të gjithë. Kuptohet si distanca që kalon një valë elektromagnetike për njësi të kohës. Për vakum, kjo vlerë është një konstante; në çdo medium tjetër real, ajo zvogëlohet. Shpejtësia e dritës matet në metra për sekondë.
Kuptimi i formulës së Ajnshtajnit
Nëse shikoni nga afër këtë formulë të thjeshtë, mund të shihni se masa lidhet me energjinë përmes një konstante (katrori i shpejtësisë së dritës). Vetë Ajnshtajni shpjegoi se masa dhe energjia janë manifestime të së njëjtës gjë. Në këtë rast, kalimet m në E dhe mbrapa janë të mundshme.
Para ardhjes së teorisë së Ajnshtajnit, shkencëtarët besonin se ligjet e ruajtjes së masës dhe energjisë ekzistojnë veçmas dhe janë të vlefshme për çdo proces që ndodh në sisteme të mbyllura. Ajnshtajni tregoi se nuk është kështu dhe këto dukuri vazhdojnë jo veçmas, por së bashku.
Një veçori tjetër e formulës së Ajnshtajnit ose ligjit të ekuivalencës së masës dhe energjisë është koeficienti i proporcionalitetit midis këtyre sasive,p.sh. c2. Është afërsisht e barabartë me 1017 m2/s2. Kjo vlerë e madhe sugjeron që edhe një sasi e vogël e masës përmban rezerva të mëdha energjie. Për shembull, nëse ndiqni këtë formulë, atëherë vetëm një rrush i thatë (rrush i thatë) mund të plotësojë të gjitha nevojat energjetike të Moskës brenda një dite. Nga ana tjetër, ky faktor i madh shpjegon edhe pse ne nuk vërejmë ndryshime masive në natyrë, sepse ato janë shumë të vogla për vlerat e energjisë që përdorim.
Ndikimi i formulës në rrjedhën e historisë së shekullit të 20-të
Falë njohjes së kësaj formule, një person ishte në gjendje të zotëronte energjinë atomike, rezervat e mëdha të së cilës shpjegohen me proceset e zhdukjes së masës. Një shembull i mrekullueshëm është ndarja e bërthamës së uraniumit. Nëse mbledhim masën e izotopeve të dritës të formuar pas kësaj ndarjeje, atëherë do të rezultojë të jetë shumë më e vogël se ajo për bërthamën origjinale. Masa e zhdukur kthehet në energji.
Aftësia e njeriut për të përdorur energjinë atomike çoi në krijimin e një reaktori që shërben për të siguruar energji elektrike për popullsinë civile të qyteteve dhe në projektimin e armës më vdekjeprurëse në të gjithë historinë e njohur - bombës atomike.
Shfaqja e bombës së parë atomike në Shtetet e Bashkuara i dha fund Luftës së Dytë Botërore kundër Japonisë përpara afatit (në vitin 1945, Shtetet e Bashkuara hodhën këto bomba në dy qytete japoneze), dhe gjithashtu u bë parandaluesi kryesor për shpërthimi i Luftës së Tretë Botërore.
Vetë Ajnshtajni, natyrisht, nuk mundipër të parashikuar pasoja të tilla të formulës që zbuloi. Vini re se ai nuk mori pjesë në projektin Manhattan për krijimin e armëve atomike.
Fenomeni i efektit fotoelektrik dhe shpjegimi i tij
Tani le të kalojmë te pyetja për të cilën Albert Einstein iu dha Çmimi Nobel në fillim të viteve 1920.
Fenomeni i efektit fotoelektrik, i zbuluar në 1887 nga Hertz, konsiston në shfaqjen e elektroneve të lira mbi sipërfaqen e një materiali të caktuar, nëse ai rrezatohet me dritë të frekuencave të caktuara. Nuk ishte e mundur të shpjegohej ky fenomen nga pikëpamja e teorisë valore të dritës, e cila u krijua në fillim të shekullit të 20-të. Kështu, nuk ishte e qartë pse efekti fotoelektrik vërehet pa një vonesë kohore (më pak se 1 ns), pse potenciali i ngadalësimit nuk varet nga intensiteti i burimit të dritës. Ajnshtajni dha një shpjegim brilant.
Shkencëtari sugjeroi një gjë të thjeshtë: kur drita ndërvepron me materien, ajo nuk sillet si një valë, por si një trup, një kuant, një mpiksje energjie. Konceptet fillestare ishin tashmë të njohura - teoria korpuskulare u propozua nga Njutoni në mesin e shekullit të 17-të, dhe koncepti i kuantave të valëve elektromagnetike u prezantua nga fizikani bashkatdhetar Max Planck. Ajnshtajni ishte në gjendje të bashkonte të gjitha njohuritë e teorisë dhe eksperimentit. Ai besonte se një foton (kuantum i dritës), duke bashkëvepruar me vetëm një elektron, i jep plotësisht energjinë e tij. Nëse kjo energji është mjaft e madhe për të thyer lidhjen midis elektronit dhe bërthamës, atëherë grimca elementare e ngarkuar hapet nga atomi dhe shkon në një gjendje të lirë.
Shikime të etiketuaralejoi Ajnshtajnin të shkruante formulën për efektin fotoelektrik. Ne do ta shqyrtojmë atë në paragrafin tjetër.
Efekti fotoelektrik dhe ekuacioni i tij
Ky ekuacion është pak më i gjatë se lidhja e famshme energji-masë. Duket kështu:
hv=A + Ek.
Ky ekuacion ose formula e Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik pasqyron thelbin e asaj që po ndodh në proces: një foton me energji hv (konstanta e Planck e shumëzuar me frekuencën e lëkundjes) shpenzohet për prishjen e lidhjes midis elektronit. dhe bërthama (A është funksioni i punës së elektronit) dhe në komunikimin e një grimce negative të energjisë kinetike (Ek).
Formula e mësipërme bëri të mundur shpjegimin e të gjitha varësive matematikore të vëzhguara në eksperimentet mbi efektin fotoelektrik dhe çoi në formulimin e ligjeve përkatëse për fenomenin në shqyrtim.
Ku përdoret efekti fotoelektrik?
Aktualisht, idetë e Ajnshtajnit të përshkruara më sipër po zbatohen për të kthyer energjinë e dritës në energji elektrike falë paneleve diellore.
Ata përdorin një efekt të brendshëm fotoelektrik, domethënë elektronet e "tërhequra" nga atomi nuk largohen nga materiali, por mbeten në të. Substanca aktive është gjysmëpërçues silikoni i tipit n dhe p.
