Albert Einstein is waarskynlik bekend aan elke inwoner van ons planeet. Dit is bekend danksy die bekende formule vir die verband tussen massa en energie. Hy het egter nie die Nobelprys daarvoor ontvang nie. In hierdie artikel sal ons twee Einstein-formules oorweeg wat die fisiese idees oor die wêreld om ons aan die begin van die 20ste eeu verander het.
Einstein se vrugbare jaar
In 1905 het Einstein verskeie artikels gelyktydig gepubliseer, wat hoofsaaklik oor twee onderwerpe gehandel het: die relatiwiteitsteorie wat hy ontwikkel het en die verduideliking van die foto-elektriese effek. Die materiaal is in die Duitse joernaal Annalen der Physik gepubliseer. Die einste titels van hierdie twee artikels het destyds verwarring in die kring van wetenskaplikes veroorsaak:
- "Hang die traagheid van 'n liggaam af van die energie wat dit bevat?";
- "'n Heuristiese standpunt oor die oorsprong en transformasie van lig".
In die eerste noem die wetenskaplike die tans bekende formule van Einstein se relatiwiteitsteorie, wat kombineereenvormige gelykheid van massa en energie. Die tweede artikel verskaf 'n vergelyking vir die foto-elektriese effek. Beide formules word tans gebruik om met radioaktiewe materiaal te werk en om elektriese energie uit elektromagnetiese golwe op te wek.
Kort formule van spesiale relatiwiteit
Die relatiwiteitsteorie wat deur Einstein ontwikkel is, beskou die verskynsels wanneer die massas voorwerpe en hul bewegingsnelhede groot is. Daarin postuleer Einstein dat dit onmoontlik is om vinniger as lig in enige verwysingsraamwerk te beweeg, en dat teen naby-ligspoed die eienskappe van ruimte-tydverandering byvoorbeeld tyd begin verlangsaam.
Die relatiwiteitsteorie is moeilik om vanuit 'n logiese oogpunt te verstaan, want dit weerspreek die gewone idees oor beweging, waarvan die wette in die 17de eeu deur Newton vasgestel is. Einstein het egter met 'n elegante en eenvoudige formule uit komplekse wiskundige berekeninge vorendag gekom:
E=mc2.
Hierdie uitdrukking word Einstein se formule vir energie en massa genoem. Kom ons vind uit wat dit beteken.
Die konsepte van massa, energie en die spoed van lig
Om Albert Einstein se formule beter te verstaan, moet jy die betekenis van elke simbool wat daarin voorkom in detail verstaan.
Kom ons begin met die massa. Jy kan dikwels hoor dat hierdie fisiese hoeveelheid verband hou met die hoeveelheid materie wat in die liggaam vervat is. Dit is nie heeltemal waar nie. Dit is meer korrek om massa as 'n maatstaf van traagheid te definieer. Hoe groter die liggaam, hoe moeiliker is dit om dit 'n sekere te geespoed. Massa word in kilogram gemeet.
Die kwessie van energie is ook nie eenvoudig nie. So, daar is 'n verskeidenheid van sy manifestasies: lig en termiese, stoom en elektriese, kinetiese en potensiële, chemiese bindings. Al hierdie soorte energie word verenig deur een belangrike eienskap – hul vermoë om werk te doen. Met ander woorde, energie is 'n fisiese hoeveelheid wat in staat is om liggame te beweeg teen die werking van ander eksterne kragte. Die SI-maat is die joule.
Wat die spoed van lig is, is vir almal ongeveer duidelik. Dit word verstaan as die afstand wat 'n elektromagnetiese golf per eenheid van tyd beweeg. Vir vakuum is hierdie waarde 'n konstante; in enige ander werklike medium neem dit af. Die spoed van lig word gemeet in meter per sekonde.
Die betekenis van Einstein se formule
As jy noukeurig na hierdie eenvoudige formule kyk, kan jy sien dat massa verband hou met energie deur 'n konstante (die kwadraat van die spoed van lig). Einstein het self verduidelik dat massa en energie manifestasies van dieselfde ding is. In hierdie geval is oorgange m na E en terug moontlik.
Voor die koms van Einstein se teorie het wetenskaplikes geglo dat die wette van behoud van massa en energie afsonderlik bestaan en geldig is vir enige prosesse wat in geslote sisteme plaasvind. Einstein het gewys dat dit nie die geval is nie, en hierdie verskynsels bly nie afsonderlik nie, maar saam voort.
Nog 'n kenmerk van Einstein se formule of die wet van ekwivalensie van massa en energie is die koëffisiënt van proporsionaliteit tussen hierdie hoeveelhede,d.w.s. c2. Dit is ongeveer gelyk aan 1017 m2/s2. Hierdie groot waarde dui daarop dat selfs 'n klein hoeveelheid massa groot reserwes energie bevat. Byvoorbeeld, as jy hierdie formule volg, dan kan net een gedroogde druif (rosyn) al die energiebehoeftes van Moskou in een dag bevredig. Aan die ander kant verklaar hierdie groot faktor ook hoekom ons nie massaveranderinge in die natuur waarneem nie, want hulle is te klein vir die energiewaardes wat ons gebruik.
Die invloed van die formule op die verloop van die geskiedenis van die 20ste eeu
Danksy die kennis van hierdie formule kon 'n persoon atoomenergie bemeester, waarvan die groot reserwes verklaar word deur die prosesse van die verdwyning van massa. 'n Treffende voorbeeld is die splyting van die uraankern. As ons die massa van die ligte isotope wat na hierdie splitsing gevorm is bymekaartel, sal dit baie minder wees as dié vir die oorspronklike kern. Verdwene massa verander in energie.
Menslike vermoë om atoomenergie te gebruik het gelei tot die skepping van 'n reaktor wat dien om elektrisiteit aan die burgerlike bevolking van stede te verskaf, en tot die ontwerp van die dodelikste wapen in alle bekende geskiedenis - die atoombom.
Die verskyning van die eerste atoombom in die Verenigde State het die Tweede Wêreldoorlog teen Japan voor skedule beëindig (in 1945 het die Verenigde State hierdie bomme op twee Japannese stede laat val), en het ook die belangrikste afskrikmiddel vir die uitbreek van die Derde Wêreldoorlog.
Einstein self kon natuurlik nieom sulke gevolge van die formule wat hy ontdek het te voorsien. Let daarop dat hy nie deelgeneem het aan die Manhattan-projek om atoomwapens te skep nie.
Die verskynsel van die foto-elektriese effek en die verduideliking daarvan
Kom ons gaan nou oor na die vraag waarvoor Albert Einstein in die vroeë 1920's met die Nobelprys bekroon is.
Die verskynsel van die foto-elektriese effek, wat in 1887 deur Hertz ontdek is, bestaan uit die verskyning van vrye elektrone bo die oppervlak van 'n sekere materiaal, as dit met lig van sekere frekwensies bestraal word. Dit was nie moontlik om hierdie verskynsel te verklaar vanuit die oogpunt van die golfteorie van lig, wat aan die begin van die 20ste eeu gevestig is nie. Dit was dus nie duidelik waarom die foto-elektriese effek sonder 'n tydsvertraging (minder as 1 ns) waargeneem word nie, hoekom die vertragingspotensiaal nie afhang van die intensiteit van die ligbron nie. Einstein het 'n briljante verduideliking gegee.
Die wetenskaplike het 'n eenvoudige ding voorgestel: wanneer lig met materie in wisselwerking tree, gedra dit nie soos 'n golf nie, maar soos 'n liggaam, 'n kwantum, 'n klont energie. Die aanvanklike konsepte was reeds bekend – die korpuskulêre teorie is in die middel van die 17de eeu deur Newton voorgestel, en die konsep van elektromagnetiese golfkwanta is deur die landgenoot-fisikus Max Planck bekendgestel. Einstein kon al die kennis van teorie en eksperiment bymekaarbring. Hy het geglo dat 'n foton (kwantum lig), wat met net een elektron in wisselwerking tree, dit heeltemal sy energie gee. As hierdie energie groot genoeg is om die binding tussen die elektron en die kern te breek, dan maak die gelaaide elementêre deeltjie oop vanaf die atoom en gaan in 'n vrye toestand.
Gemerkte kykeEinstein toegelaat om die formule vir die foto-elektriese effek neer te skryf. Ons sal dit in die volgende paragraaf oorweeg.
Foto-elektriese effek en sy vergelyking
Hierdie vergelyking is 'n bietjie langer as die bekende energie-massa-verhouding. Dit lyk so:
hv=A + Ek.
Hierdie vergelyking of Einstein se formule vir die foto-elektriese effek weerspieël die essensie van wat in die proses gebeur: 'n foton met energie hv (Planck se konstante vermenigvuldig met die ossillasiefrekwensie) word spandeer om die binding tussen die elektron te breek en die kern (A is die werkfunksie van die elektron) en op die kommunikasie van 'n negatiewe deeltjie kinetiese energie (Ek).
Bogenoemde formule het dit moontlik gemaak om al die wiskundige afhanklikhede wat in eksperimente waargeneem is op die foto-elektriese effek te verduidelik en het gelei tot die formulering van die ooreenstemmende wette vir die verskynsel wat oorweeg word.
Waar word die foto-elektriese effek gebruik?
Tans word Einstein se idees wat hierbo uiteengesit is, toegepas om ligenergie in elektrisiteit om te skakel danksy sonpanele.
Hulle gebruik 'n interne foto-elektriese effek, dit wil sê, die elektrone wat uit die atoom "uitgetrek" word, verlaat nie die materiaal nie, maar bly daarin. Die aktiewe stof is n- en p-tipe silikon halfgeleiers.
