Albert Einstein is waarschijnlijk bekend bij elke inwoner van onze planeet. Het is bekend dankzij de bekende formule voor het verband tussen massa en energie. Hij kreeg er echter geen Nobelprijs voor. In dit artikel zullen we twee Einstein-formules beschouwen die de fysieke ideeën over de wereld om ons heen aan het begin van de 20e eeuw veranderden.
Einsteins vruchtbare jaar
In 1905 publiceerde Einstein meerdere artikelen tegelijk, die voornamelijk twee onderwerpen behandelden: de relativiteitstheorie die hij ontwikkelde en de verklaring van het foto-elektrisch effect. De materialen zijn gepubliceerd in het Duitse tijdschrift Annalen der Physik. Alleen al de titels van deze twee artikelen veroorzaakten verbijstering in de toenmalige kring van wetenschappers:
- "Hangt de traagheid van een lichaam af van de energie die het bevat?";
- "Een heuristisch standpunt over de oorsprong en transformatie van licht".
In de eerste citeert de wetenschapper de momenteel bekende formule van Einsteins relativiteitstheorie, die combineert:uniforme gelijkheid van massa en energie. Het tweede artikel geeft een vergelijking voor het foto-elektrisch effect. Beide formules worden momenteel zowel gebruikt om met radioactieve materie te werken als om elektrische energie op te wekken uit elektromagnetische golven.
Korte formule van de speciale relativiteitstheorie
De relativiteitstheorie ontwikkeld door Einstein houdt rekening met de verschijnselen wanneer de massa's van objecten en hun bewegingssnelheden enorm zijn. Daarin postuleert Einstein dat het onmogelijk is om sneller dan het licht te bewegen in welk referentiekader dan ook, en dat bij snelheden die bijna het licht zijn, de eigenschappen van bijvoorbeeld ruimte-tijd veranderen, de tijd begint te vertragen.
De relativiteitstheorie is vanuit logisch oogpunt moeilijk te begrijpen, omdat het in tegenspraak is met de gebruikelijke ideeën over beweging, waarvan de wetten door Newton in de 17e eeuw werden vastgesteld. Einstein bedacht echter een elegante en eenvoudige formule uit complexe wiskundige berekeningen:
E=mc2.
Deze uitdrukking wordt de formule van Einstein voor energie en massa genoemd. Laten we uitzoeken wat het betekent.
De begrippen massa, energie en lichtsnelheid
Om de formule van Albert Einstein beter te begrijpen, moet u in detail de betekenis begrijpen van elk symbool dat erin voorkomt.
Laten we beginnen met de mis. Je kunt vaak horen dat deze fysieke hoeveelheid gerelateerd is aan de hoeveelheid materie in het lichaam. Dit is niet helemaal waar. Het is juister om massa te definiëren als een maat voor traagheid. Hoe groter het lichaam, hoe moeilijker het is om het een bepaald gevoel te gevensnelheid. Massa wordt gemeten in kilogram.
De kwestie van energie is ook niet eenvoudig. Er zijn dus verschillende verschijningsvormen: licht en thermisch, stoom en elektrisch, kinetische en potentiële, chemische bindingen. Al deze soorten energie zijn verenigd door één belangrijke eigenschap: hun vermogen om werk te doen. Met andere woorden, energie is een fysieke hoeveelheid die in staat is om lichamen te bewegen tegen de werking van andere externe krachten in. De SI-maat is de joule.
Wat is de snelheid van het licht is voor iedereen ongeveer duidelijk. Het wordt begrepen als de afstand die een elektromagnetische golf per tijdseenheid aflegt. Voor vacuüm is deze waarde een constante; in elk ander reëel medium neemt deze af. De lichtsnelheid wordt gemeten in meters per seconde.
De betekenis van de formule van Einstein
Als je goed naar deze eenvoudige formule kijkt, kun je zien dat massa gerelateerd is aan energie via een constante (het kwadraat van de lichtsnelheid). Einstein legde zelf uit dat massa en energie manifestaties zijn van hetzelfde. In dit geval zijn overgangen m naar E en terug mogelijk.
Vóór de komst van de theorie van Einstein geloofden wetenschappers dat de wetten van behoud van massa en energie afzonderlijk bestaan en geldig zijn voor alle processen die plaatsvinden in gesloten systemen. Einstein toonde aan dat dit niet het geval is, en deze verschijnselen blijven niet afzonderlijk bestaan, maar samen.
Een ander kenmerk van de formule van Einstein of de wet van equivalentie van massa en energie is de evenredigheidscoëfficiënt tussen deze grootheden,d.w.z. c2. Het is ongeveer gelijk aan 1017 m2/s2. Deze enorme waarde suggereert dat zelfs een kleine hoeveelheid massa enorme energiereserves bevat. Als u bijvoorbeeld deze formule volgt, kan slechts één gedroogde druif (rozijn) op één dag aan alle energiebehoeften van Moskou voldoen. Aan de andere kant verklaart deze enorme factor ook waarom we geen massale veranderingen in de natuur waarnemen, omdat ze te klein zijn voor de energiewaarden die we gebruiken.
De invloed van de formule op het verloop van de geschiedenis van de 20e eeuw
Dankzij de kennis van deze formule was een persoon in staat om atoomenergie onder de knie te krijgen, waarvan de enorme reserves worden verklaard door de processen van het verdwijnen van massa. Een treffend voorbeeld is de splijting van de uraniumkern. Als we de massa van de na deze splijting gevormde lichte isotopen bij elkaar optellen, dan blijkt deze veel kleiner te zijn dan die van de oorspronkelijke kern. Verdwenen massa verandert in energie.
Het vermogen van de mens om atoomenergie te gebruiken leidde tot de creatie van een reactor die dient om de burgerbevolking van steden van elektriciteit te voorzien, en tot het ontwerp van het dodelijkste wapen in de hele bekende geschiedenis - de atoombom.
Het verschijnen van de eerste atoombom in de Verenigde Staten eindigde de Tweede Wereldoorlog tegen Japan eerder dan gepland (in 1945 lieten de Verenigde Staten deze bommen op twee Japanse steden vallen), en werd ook het belangrijkste afschrikmiddel voor de uitbraak van de Derde Wereldoorlog.
Einstein zelf kon dat natuurlijk nietom dergelijke gevolgen van de formule die hij ontdekte te voorzien. Merk op dat hij niet deelnam aan het Manhattan-project om atoomwapens te maken.
Het fenomeen van het foto-elektrisch effect en de verklaring ervan
Laten we nu verder gaan met de vraag waarvoor Albert Einstein begin jaren twintig de Nobelprijs kreeg.
Het fenomeen van het foto-elektrisch effect, ontdekt in 1887 door Hertz, bestaat uit het verschijnen van vrije elektronen boven het oppervlak van een bepaald materiaal, als het wordt bestraald met licht van bepaalde frequenties. Het was niet mogelijk om dit fenomeen te verklaren vanuit het oogpunt van de golftheorie van licht, die aan het begin van de 20e eeuw werd opgesteld. Het was dus niet duidelijk waarom het foto-elektrisch effect wordt waargenomen zonder een tijdsvertraging (minder dan 1 ns), waarom de vertragingspotentiaal niet afhangt van de intensiteit van de lichtbron. Einstein gaf een briljante uitleg.
De wetenschapper suggereerde iets simpels: wanneer licht interageert met materie, gedraagt het zich niet als een golf, maar als een bloedlichaampje, een kwantum, een klonter energie. De eerste concepten waren al bekend - de corpusculaire theorie werd voorgesteld door Newton in het midden van de 17e eeuw, en het concept van elektromagnetische golfquanta werd geïntroduceerd door landgenoot-fysicus Max Planck. Einstein was in staat om alle kennis van theorie en experiment samen te brengen. Hij geloofde dat een foton (kwantum van licht), dat in wisselwerking staat met slechts één elektron, het zijn energie volledig geeft. Als deze energie groot genoeg is om de binding tussen het elektron en de kern te verbreken, dan opent het geladen elementaire deeltje zich vanuit het atoom en gaat het in een vrije toestand.
Getagde weergavenstond Einstein toe de formule voor het foto-elektrisch effect op te schrijven. We zullen het in de volgende paragraaf bekijken.
Foto-elektrisch effect en zijn vergelijking
Deze vergelijking is iets langer dan de beroemde energie-massarelatie. Het ziet er zo uit:
hv=A + Ek.
Deze vergelijking of Einsteins formule voor het foto-elektrisch effect geeft de essentie weer van wat er in het proces gebeurt: een foton met energie hv (de constante van Planck vermenigvuldigd met de oscillatiefrequentie) wordt besteed aan het verbreken van de binding tussen het elektron en de kern (A is de werkfunctie van het elektron) en bij het communiceren van een negatief deeltje met kinetische energie (Ek).
De bovenstaande formule maakte het mogelijk om alle wiskundige afhankelijkheden te verklaren die werden waargenomen in experimenten met het foto-elektrische effect en leidde tot de formulering van de overeenkomstige wetten voor het fenomeen in kwestie.
Waar wordt het foto-elektrisch effect gebruikt?
Momenteel worden de hierboven geschetste ideeën van Einstein toegepast om lichtenergie om te zetten in elektriciteit dankzij zonnepanelen.
Ze gebruiken een intern foto-elektrisch effect, dat wil zeggen dat de elektronen die uit het atoom worden "uitgetrokken", het materiaal niet verlaten, maar erin blijven. De werkzame stof is siliciumhalfgeleiders van het n- en p-type.
