Albert Einstein mungkin dikenali oleh setiap penduduk planet kita. Ia dikenali terima kasih kepada formula terkenal untuk hubungan antara jisim dan tenaga. Bagaimanapun, dia tidak menerima Hadiah Nobel untuknya. Dalam artikel ini, kita akan mempertimbangkan dua formula Einstein yang mengubah idea fizikal tentang dunia di sekeliling kita pada awal abad ke-20.
Tahun subur Einstein
Pada tahun 1905, Einstein menerbitkan beberapa artikel sekaligus, yang terutamanya membincangkan dua topik: teori relativiti yang dibangunkannya dan penjelasan tentang kesan fotoelektrik. Bahan-bahan itu diterbitkan dalam jurnal Jerman Annalen der Physik. Tajuk kedua-dua artikel ini menyebabkan kekeliruan dalam kalangan saintis pada masa itu:
- "Adakah inersia badan bergantung pada tenaga yang terkandung di dalamnya?";
- "Sudut pandangan heuristik tentang asal usul dan transformasi cahaya".
Pada yang pertama, saintis memetik formula yang diketahui pada masa ini bagi teori relativiti Einstein, yang menggabungkankesamaan seragam jisim dan tenaga. Artikel kedua menyediakan persamaan untuk kesan fotoelektrik. Kedua-dua formula pada masa ini digunakan untuk bekerja dengan bahan radioaktif dan untuk menjana tenaga elektrik daripada gelombang elektromagnet.
Formula ringkas relativiti khas
Teori relativiti yang dibangunkan oleh Einstein menganggap fenomena apabila jisim objek dan kelajuan pergerakannya adalah besar. Di dalamnya, Einstein membuat postulat bahawa adalah mustahil untuk bergerak lebih laju daripada cahaya dalam mana-mana kerangka rujukan, dan pada kelajuan hampir cahaya, sifat ruang-masa berubah, contohnya, masa mula perlahan.
Teori relativiti sukar difahami dari sudut logik, kerana ia bercanggah dengan idea biasa tentang gerakan, yang undang-undangnya telah ditubuhkan oleh Newton pada abad ke-17. Walau bagaimanapun, Einstein menghasilkan formula yang elegan dan ringkas daripada pengiraan matematik yang kompleks:
E=mc2.
Ungkapan ini dipanggil formula Einstein untuk tenaga dan jisim. Mari kita fahami maksudnya.
Konsep jisim, tenaga dan kelajuan cahaya
Untuk lebih memahami formula Albert Einstein, anda harus memahami secara terperinci maksud setiap simbol yang terdapat di dalamnya.
Mari kita mulakan dengan jisim. Anda sering mendengar bahawa kuantiti fizikal ini berkaitan dengan jumlah bahan yang terkandung dalam badan. Ini tidak sepenuhnya benar. Adalah lebih tepat untuk mentakrifkan jisim sebagai ukuran inersia. Semakin besar badan, semakin sukar untuk memberikannyakelajuan. Jisim diukur dalam kilogram.
Isu tenaga juga bukan mudah. Jadi, terdapat pelbagai manifestasinya: cahaya dan haba, wap dan elektrik, kinetik dan potensi, ikatan kimia. Semua jenis tenaga ini disatukan oleh satu sifat penting - keupayaan mereka untuk melakukan kerja. Dalam erti kata lain, tenaga ialah kuantiti fizikal yang mampu menggerakkan jasad terhadap tindakan kuasa luar yang lain. Ukuran SI ialah joule.
Berapakah kelajuan cahaya yang hampir jelas kepada semua orang. Ia difahami sebagai jarak yang dilalui oleh gelombang elektromagnet setiap unit masa. Untuk vakum, nilai ini adalah pemalar; dalam mana-mana medium sebenar lain, ia berkurangan. Kelajuan cahaya diukur dalam meter sesaat.
Maksud formula Einstein
Jika anda melihat dengan teliti formula ringkas ini, anda dapat melihat bahawa jisim berkaitan dengan tenaga melalui pemalar (persegi empat kelajuan cahaya). Einstein sendiri menjelaskan bahawa jisim dan tenaga adalah manifestasi perkara yang sama. Dalam kes ini, peralihan m ke E dan belakang adalah mungkin.
Sebelum kemunculan teori Einstein, saintis percaya bahawa undang-undang pemuliharaan jisim dan tenaga wujud secara berasingan dan sah untuk sebarang proses yang berlaku dalam sistem tertutup. Einstein menunjukkan bahawa ini tidak berlaku, dan fenomena ini berterusan bukan secara berasingan, tetapi bersama-sama.
Satu lagi ciri formula Einstein atau hukum kesetaraan jisim dan tenaga ialah pekali perkadaran antara kuantiti ini,iaitu c2. Ia lebih kurang sama dengan 1017 m2/s2. Nilai yang besar ini menunjukkan bahawa walaupun sejumlah kecil jisim mengandungi rizab tenaga yang besar. Sebagai contoh, jika anda mengikuti formula ini, maka hanya satu anggur kering (kismis) boleh memenuhi semua keperluan tenaga Moscow dalam satu hari. Sebaliknya, faktor besar ini juga menjelaskan mengapa kita tidak melihat perubahan jisim dalam alam semula jadi, kerana ia terlalu kecil untuk nilai tenaga yang kita gunakan.
Pengaruh formula terhadap perjalanan sejarah abad ke-20
Terima kasih kepada pengetahuan tentang formula ini, seseorang dapat menguasai tenaga atom, rizab besar yang dijelaskan oleh proses kehilangan jisim. Contoh yang ketara ialah pembelahan nukleus uranium. Jika kita menjumlahkan jisim isotop cahaya yang terbentuk selepas pembelahan ini, maka ia akan menjadi lebih kurang daripada itu untuk nukleus asal. Jisim yang hilang bertukar menjadi tenaga.
Keupayaan manusia untuk menggunakan tenaga atom membawa kepada penciptaan reaktor yang berfungsi untuk membekalkan tenaga elektrik kepada penduduk awam bandar, dan kepada reka bentuk senjata paling mematikan dalam semua sejarah yang diketahui - bom atom.
Kemunculan bom atom pertama di Amerika Syarikat menamatkan Perang Dunia Kedua menentang Jepun lebih awal daripada jadual (pada tahun 1945, Amerika Syarikat menjatuhkan bom ini di dua bandar Jepun), dan juga menjadi penghalang utama kepada meletusnya Perang Dunia Ketiga.
Einstein sendiri, sudah tentu, tidak bolehuntuk meramalkan akibat daripada formula yang ditemuinya. Ambil perhatian bahawa dia tidak mengambil bahagian dalam projek Manhattan untuk mencipta senjata atom.
Fenomena kesan fotoelektrik dan penjelasannya
Sekarang mari kita beralih kepada soalan yang Albert Einstein telah dianugerahkan Hadiah Nobel pada awal 1920-an.
Fenomena kesan fotoelektrik, ditemui pada tahun 1887 oleh Hertz, terdiri daripada penampilan elektron bebas di atas permukaan bahan tertentu, jika ia disinari dengan cahaya frekuensi tertentu. Tidak mungkin untuk menjelaskan fenomena ini dari sudut pandangan teori gelombang cahaya, yang ditubuhkan pada awal abad ke-20. Oleh itu, tidak jelas mengapa kesan fotoelektrik diperhatikan tanpa kelewatan masa (kurang daripada 1 ns), mengapa potensi nyahpecutan tidak bergantung pada keamatan sumber cahaya. Einstein memberikan penjelasan yang cemerlang.
Saintis mencadangkan perkara mudah: apabila cahaya berinteraksi dengan jirim, ia tidak berkelakuan seperti gelombang, tetapi seperti corpuscle, kuantum, segumpal tenaga. Konsep awal telah diketahui - teori korpuskular telah dicadangkan oleh Newton pada pertengahan abad ke-17, dan konsep quanta gelombang elektromagnet telah diperkenalkan oleh ahli fizik senegaranya Max Planck. Einstein dapat mengumpulkan semua pengetahuan teori dan eksperimen. Dia percaya bahawa foton (kuantum cahaya), berinteraksi dengan hanya satu elektron, memberikannya tenaga sepenuhnya. Jika tenaga ini cukup besar untuk memutuskan ikatan antara elektron dan nukleus, maka zarah asas bercas akan terbuka daripada atom dan masuk ke dalam keadaan bebas.
Pandangan Bertegmembenarkan Einstein menulis formula untuk kesan fotoelektrik. Kami akan mempertimbangkannya dalam perenggan seterusnya.
Kesan fotoelektrik dan persamaannya
Persamaan ini lebih panjang sedikit daripada hubungan jisim tenaga yang terkenal. Ia kelihatan seperti ini:
hv=A + Ek.
Persamaan ini atau formula Einstein untuk kesan fotoelektrik mencerminkan intipati apa yang berlaku dalam proses: foton dengan tenaga hv (pemalar Planck didarab dengan kekerapan ayunan) dibelanjakan untuk memecahkan ikatan antara elektron dan nukleus (A ialah fungsi kerja elektron) dan semasa menyampaikan zarah negatif tenaga kinetik (Ek).
Formula di atas memungkinkan untuk menerangkan semua pergantungan matematik yang diperhatikan dalam eksperimen pada kesan fotoelektrik dan membawa kepada penggubalan undang-undang yang sepadan untuk fenomena yang sedang dipertimbangkan.
Di manakah kesan fotoelektrik digunakan?
Pada masa ini, idea Einstein yang digariskan di atas sedang digunakan untuk menukar tenaga cahaya kepada elektrik melalui panel solar.
Mereka menggunakan kesan fotoelektrik dalaman, iaitu, elektron "ditarik keluar" daripada atom tidak meninggalkan bahan, tetapi kekal di dalamnya. Bahan aktif ialah semikonduktor silikon jenis n dan p.
