Albertu Einšteinu, iespējams, pazīst katrs mūsu planētas iedzīvotājs. Tas ir zināms, pateicoties slavenajai masas un enerģijas savienojuma formulai. Tomēr viņš par to nesaņēma Nobela prēmiju. Šajā rakstā mēs aplūkosim divas Einšteina formulas, kas 20. gadsimta sākumā pārvērsa fiziskos priekšstatus par apkārtējo pasauli.
Einšteina auglīgais gads
1905. gadā Einšteins publicēja vairākus rakstus vienlaikus, kuros galvenokārt tika aplūkotas divas tēmas: viņa izstrādātā relativitātes teorija un fotoelektriskā efekta skaidrojums. Materiāli tika publicēti Vācijas žurnālā Annalen der Physik. Jau paši šo divu rakstu nosaukumi radīja neizpratni tā laika zinātnieku lokā:
- "Vai ķermeņa inerce ir atkarīga no tajā esošās enerģijas?";
- "Heiristisks skatījums uz gaismas izcelsmi un transformāciju".
Pirmajā zinātnieks citē šobrīd zināmo Einšteina relativitātes teorijas formulu, kas apvienovienāda masas un enerģijas vienlīdzība. Otrajā rakstā ir sniegts fotoelektriskā efekta vienādojums. Abas formulas pašlaik tiek izmantotas gan darbam ar radioaktīvo vielu, gan elektroenerģijas ģenerēšanai no elektromagnētiskajiem viļņiem.
Īsa īpašās relativitātes teorijas formula
Einšteina izstrādātā relativitātes teorija aplūko parādības, kad objektu masas un to kustības ātrums ir milzīgs. Tajā Einšteins postulē, ka jebkurā atskaites sistēmā nav iespējams pārvietoties ātrāk par gaismu un ka pie gandrīz gaismas ātruma mainās telpas-laika īpašības, piemēram, laiks sāk palēnināties.
Relativitātes teoriju ir grūti saprast no loģikas viedokļa, jo tā ir pretrunā ar ierastajiem priekšstatiem par kustību, kuras likumus Ņūtons iedibināja 17. gadsimtā. Tomēr Einšteins no sarežģītiem matemātiskiem aprēķiniem izdomāja elegantu un vienkāršu formulu:
E=mc2.
Šo izteiksmi sauc par Einšteina enerģijas un masas formulu. Noskaidrosim, ko tas nozīmē.
Masas, enerģijas un gaismas ātruma jēdzieni
Lai labāk izprastu Alberta Einšteina formulu, jums vajadzētu detalizēti saprast katra tajā esošā simbola nozīmi.
Sāksim ar masu. Bieži var dzirdēt, ka šis fiziskais daudzums ir saistīts ar vielas daudzumu organismā. Tā nav gluži taisnība. Pareizāk ir masu definēt kā inerces mēru. Jo lielāks ķermenis, jo grūtāk tam piešķirt noteiktuātrumu. Masu mēra kilogramos.
Enerģētikas jautājums arī nav vienkāršs. Tātad ir dažādas tās izpausmes: gaismas un termiskās, tvaika un elektriskās, kinētiskās un potenciālās, ķīmiskās saites. Visus šos enerģijas veidus vieno viena svarīga īpašība – spēja veikt darbu. Citiem vārdiem sakot, enerģija ir fizisks lielums, kas spēj pārvietot ķermeņus pret citu ārējo spēku darbību. SI mērs ir džouls.
Kāds ir gaismas ātrums, tas ir aptuveni skaidrs visiem. To saprot kā attālumu, ko elektromagnētiskais vilnis noiet laika vienībā. Vakuumam šī vērtība ir konstante; jebkurā citā reālā vidē tā samazinās. Gaismas ātrumu mēra metros sekundē.
Einšteina formulas nozīme
Ja paskatās uz šo vienkāršo formulu, jūs varat redzēt, ka masa ir saistīta ar enerģiju caur konstanti (gaismas ātruma kvadrātu). Pats Einšteins skaidroja, ka masa un enerģija ir viena un tā paša izpausmes. Šajā gadījumā ir iespējamas pārejas m uz E un atpakaļ.
Pirms Einšteina teorijas parādīšanās zinātnieki uzskatīja, ka masas un enerģijas nezūdamības likumi pastāv atsevišķi un ir spēkā visiem procesiem, kas notiek slēgtās sistēmās. Einšteins parādīja, ka tas tā nav, un šīs parādības saglabājas nevis atsevišķi, bet gan kopā.
Vēl viena Einšteina formulas vai masas un enerģijas ekvivalences likuma iezīme ir šo lielumu proporcionalitātes koeficients,t.i., c2. Tas ir aptuveni vienāds ar 1017 m2/s2. Šī milzīgā vērtība liek domāt, ka pat neliels masas daudzums satur milzīgas enerģijas rezerves. Piemēram, ja sekojat šai formulai, tad tikai viena žāvēta vīnoga (rozīne) vienā dienā var apmierināt visas Maskavas enerģijas vajadzības. No otras puses, šis milzīgais faktors arī izskaidro, kāpēc mēs nenovērojam masveida izmaiņas dabā, jo tās ir pārāk mazas mūsu izmantotajām enerģētiskajām vērtībām.
Formulas ietekme uz 20. gadsimta vēstures gaitu
Pateicoties šīs formulas zināšanām, cilvēks varēja apgūt atomenerģiju, kuras milzīgās rezerves izskaidrojamas ar masas izzušanas procesiem. Spilgts piemērs ir urāna kodola skaldīšana. Ja mēs saskaitām pēc šīs skaldīšanas radušos vieglo izotopu masu, tad tā izrādīsies daudz mazāka nekā sākotnējam kodolam. Pazudusī masa pārvēršas enerģijā.
Cilvēka spēja izmantot atomenerģiju noveda pie reaktora izveides, kas kalpo, lai nodrošinātu elektrību pilsētu civiliedzīvotājiem, un tika izstrādāts nāvējošākais ierocis visā zināmajā vēsturē - atombumba.
Pirmās atombumbas parādīšanās Amerikas Savienotajās Valstīs pirms termiņa izbeidza Otro pasaules karu pret Japānu (1945. gadā ASV nometa šīs bumbas uz divām Japānas pilsētām), kā arī kļuva par galveno atturēšanas līdzekli pret Japānu. Trešā pasaules kara uzliesmojums.
Pats Einšteins, protams, nevarējaparedzēt šādas viņa atklātās formulas sekas. Ņemiet vērā, ka viņš nepiedalījās Manhetenas projektā, lai radītu atomieročus.
Fotoelektriskā efekta fenomens un tā skaidrojums
Tagad pāriesim pie jautājuma, par kuru Albertam Einšteinam 20. gadsimta 20. gadu sākumā tika piešķirta Nobela prēmija.
Fotoelektriskā efekta fenomens, ko 1887. gadā atklāja Hercs, ir brīvu elektronu parādīšanās virs noteikta materiāla virsmas, ja tas tiek apstarots ar noteiktas frekvences gaismu. Šo fenomenu nebija iespējams izskaidrot no 20. gadsimta sākumā izveidotās gaismas viļņu teorijas viedokļa. Tādējādi nebija skaidrs, kāpēc fotoelektriskais efekts tiek novērots bez laika aiztures (mazāk par 1 ns), kāpēc palēninājuma potenciāls nav atkarīgs no gaismas avota intensitātes. Einšteins sniedza izcilu skaidrojumu.
Zinātnieks ierosināja vienkāršu lietu: kad gaisma mijiedarbojas ar matēriju, tā uzvedas nevis kā vilnis, bet gan kā korpuskulis, kvants, enerģijas receklis. Sākotnējie jēdzieni jau bija zināmi – korpuskulāro teoriju 17. gadsimta vidū ierosināja Ņūtons, bet elektromagnētisko viļņu kvantu jēdzienu ieviesa tautietis fiziķis Makss Planks. Einšteins spēja apvienot visas teorijas un eksperimenta zināšanas. Viņš uzskatīja, ka fotons (gaismas kvants), mijiedarbojoties tikai ar vienu elektronu, pilnībā piešķir tam savu enerģiju. Ja šī enerģija ir pietiekami liela, lai pārrautu saiti starp elektronu un kodolu, tad uzlādētā elementārdaļiņa atveras no atoma un nonāk brīvā stāvoklī.
Atzīmētie skatiļāva Einšteinam pierakstīt fotoelektriskā efekta formulu. Mēs to izskatīsim nākamajā rindkopā.
Fotoelektriskais efekts un tā vienādojums
Šis vienādojums ir nedaudz garāks par slaveno enerģijas un masas attiecību. Tas izskatās šādi:
hv=A + Ek.
Šis vienādojums jeb Einšteina formula fotoelektriskajam efektam atspoguļo procesā notiekošā būtību: fotons ar enerģiju hv (Planka konstante, reizināta ar svārstību frekvenci) tiek iztērēts, lai pārrautu saikni starp elektronu. un kodolu (A ir elektrona darba funkcija) un negatīvas kinētiskās enerģijas daļiņas pārraidi (Ek).
Iepriekš minētā formula ļāva izskaidrot visas fotoelektriskā efekta eksperimentos novērotās matemātiskās atkarības un ļāva formulēt atbilstošos likumus apskatāmajai parādībai.
Kur tiek izmantots fotoelektriskais efekts?
Šobrīd Einšteina idejas tiek izmantotas, lai, pateicoties saules paneļiem, pārvērstu gaismas enerģiju elektroenerģijā.
Tie izmanto iekšējo fotoelektrisko efektu, tas ir, no atoma "izvilktie" elektroni neatstāj materiālu, bet paliek tajā. Aktīvā viela ir n- un p-veida silīcija pusvadītāji.
