Алберт Айнщайн вероятно е познат на всеки жител на нашата планета. Познато е благодарение на известната формула за връзката между масата и енергията. Той обаче не получи Нобелова награда за това. В тази статия ще разгледаме две формули на Айнщайн, които обърнаха физическите представи за света около нас в началото на 20-ти век.
плодотворната година на Айнщайн
През 1905 г. Айнщайн публикува няколко статии наведнъж, които основно се занимават с две теми: разработената от него теория на относителността и обяснението на фотоелектричния ефект. Материалите са публикувани в немското списание Annalen der Physik. Самите заглавия на тези две статии предизвикаха недоумение в кръга на учените по това време:
- "Инерцията на тялото зависи ли от енергията, която съдържа?";
- "Евристична гледна точка за произхода и трансформацията на светлината".
В първата ученият цитира известната в момента формула на теорията на относителността на Айнщайн, която съчетаваравномерно равенство на масата и енергията. Втората статия предоставя уравнение за фотоелектричния ефект. И двете формули в момента се използват както за работа с радиоактивна материя, така и за генериране на електрическа енергия от електромагнитни вълни.
Кратка формула на специалната теория на относителността
Теорията на относителността, разработена от Айнщайн, разглежда явленията, когато масите на обектите и скоростите им на движение са огромни. В него Айнщайн постулира, че е невъзможно да се движите по-бързо от светлината във всяка референтна система и че при скорости, близки до светлината, свойствата на пространство-времето се променят, например, времето започва да се забавя.
Теорията на относителността е трудна за разбиране от логическа гледна точка, защото противоречи на обичайните идеи за движението, чиито закони са установени от Нютон през 17 век. Въпреки това, Айнщайн измисли елегантна и проста формула от сложни математически изчисления:
E=mc2.
Този израз се нарича формула на Айнщайн за енергия и маса. Нека разберем какво означава.
Понятията за маса, енергия и скорост на светлината
За да разберете по-добре формулата на Алберт Айнщайн, трябва да разберете в детайли значението на всеки символ, който присъства в нея.
Нека започнем с масата. Често можете да чуете, че това физическо количество е свързано с количеството материя, съдържаща се в тялото. Това не е съвсем вярно. По-правилно е масата да се определи като мярка за инерция. Колкото по-голямо е тялото, толкова по-трудно е да му се даде определеноскорост. Масата се измерва в килограми.
Въпросът с енергията също не е лесен. И така, има различни прояви: светлина и топлина, пара и електрически, кинетични и потенциални, химически връзки. Всички тези видове енергия са обединени от едно важно свойство - способността им да вършат работа. С други думи, енергията е физическа величина, която е способна да движи тела срещу действието на други външни сили. Мярката SI е джаулът.
Каква е скоростта на светлината е приблизително ясно за всички. То се разбира като разстоянието, което електромагнитната вълна изминава за единица време. За вакуум тази стойност е константа; във всяка друга реална среда тя намалява. Скоростта на светлината се измерва в метри в секунда.
Значението на формулата на Айнщайн
Ако погледнете отблизо тази проста формула, можете да видите, че масата е свързана с енергията чрез константа (квадратът на скоростта на светлината). Самият Айнщайн обяснява, че масата и енергията са проявления на едно и също нещо. В този случай са възможни преходи m към E и обратно.
Преди появата на теорията на Айнщайн учените вярваха, че законите за запазване на масата и енергията съществуват отделно и са валидни за всички процеси, протичащи в затворени системи. Айнщайн показа, че това не е така и тези явления продължават не поотделно, а заедно.
Друга характеристика на формулата на Айнщайн или на закона за еквивалентност на масата и енергията е коефициентът на пропорционалност между тези количества,т.е. c2. Приблизително е равно на 1017 m2/s2. Тази огромна стойност предполага, че дори малко количество маса съдържа огромни запаси от енергия. Например, ако следвате тази формула, тогава само едно сушено грозде (стафиди) може да задоволи всички енергийни нужди на Москва за един ден. От друга страна, този огромен фактор също обяснява защо не наблюдаваме масови промени в природата, тъй като те са твърде малки за енергийните стойности, които използваме.
Влиянието на формулата върху хода на историята на 20-ти век
Благодарение на познаването на тази формула, човек успя да овладее атомната енергия, чиито огромни запаси се обясняват с процесите на изчезване на масата. Ярък пример е деленето на урановото ядро. Ако съберем масата на леките изотопи, образувани след това делене, тогава тя ще се окаже много по-малка от тази за първоначалното ядро. Изчезналата маса се превръща в енергия.
Човешката способност да използва атомна енергия доведе до създаването на реактор, който служи за осигуряване на електричество на цивилното население на градовете и до проектирането на най-смъртоносното оръжие в цялата известна история - атомната бомба.
Появата на първата атомна бомба в Съединените щати сложи край на Втората световна война срещу Япония предсрочно (през 1945 г. Съединените щати хвърлиха тези бомби върху два японски града) и също така стана основната възпираща пречка за избухването на Третата световна война.
Самият Айнщайн, разбира се, не би могълда предвиди такива последствия от откритата от него формула. Имайте предвид, че той не е участвал в проекта на Манхатън за създаване на атомни оръжия.
Феноменът на фотоелектричния ефект и неговото обяснение
Сега да преминем към въпроса, за който Алберт Айнщайн е удостоен с Нобелова награда в началото на 1920-те години.
Феноменът на фотоелектричния ефект, открит през 1887 г. от Херц, се състои в появата на свободни електрони над повърхността на определен материал, ако той бъде облъчен със светлина с определени честоти. Не беше възможно да се обясни това явление от гледна точка на вълновата теория на светлината, създадена в началото на 20 век. По този начин не беше ясно защо фотоелектричният ефект се наблюдава без забавяне във времето (по-малко от 1 ns), защо потенциалът на забавяне не зависи от интензитета на източника на светлина. Айнщайн даде брилянтно обяснение.
Ученият предложи просто нещо: когато светлината взаимодейства с материята, тя се държи не като вълна, а като частица, квант, съсирек енергия. Първоначалните концепции вече са известни - корпускулярната теория е предложена от Нютон в средата на 17 век, а концепцията за квантите на електромагнитните вълни е въведена от сънародника физик Макс Планк. Айнщайн успя да обедини цялото знание на теорията и експеримента. Той вярвал, че фотон (квант светлина), взаимодействащ само с един електрон, напълно му дава своята енергия. Ако тази енергия е достатъчно голяма, за да разруши връзката между електрона и ядрото, тогава заредената елементарна частица се отваря от атома и преминава в свободно състояние.
Маркирани прегледипозволи на Айнщайн да запише формулата за фотоелектричния ефект. Ще го разгледаме в следващия параграф.
Фотоелектричен ефект и неговото уравнение
Това уравнение е малко по-дълго от известното отношение енергия-маса. Изглежда така:
hv=A + Ek.
Това уравнение или формулата на Айнщайн за фотоелектричния ефект отразява същността на това, което се случва в процеса: фотон с енергия hv (константата на Планк, умножена по честотата на трептене) се изразходва за разрушаване на връзката между електрона и ядрото (A е работната функция на електрона) и на предаването на отрицателна частица кинетична енергия (Ek).
Горената формула даде възможност да се обяснят всички математически зависимости, наблюдавани при експерименти върху фотоелектричния ефект и доведе до формулирането на съответните закони за разглежданото явление.
Къде се използва фотоелектричният ефект?
В момента идеите на Айнщайн, описани по-горе, се прилагат за преобразуване на светлинната енергия в електричество благодарение на слънчевите панели.
Те използват вътрешен фотоелектричен ефект, тоест електроните, "извадени" от атома, не напускат материала, а остават в него. Активното вещество е n- и p-тип силициеви полупроводници.
