Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν είναι πιθανότατα γνωστός σε κάθε κάτοικο του πλανήτη μας. Είναι γνωστό χάρη στη διάσημη φόρμουλα για τη σύνδεση μεταξύ μάζας και ενέργειας. Ωστόσο, δεν έλαβε το βραβείο Νόμπελ για αυτό. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε δύο τύπους του Αϊνστάιν που άλλαξαν τις φυσικές ιδέες για τον κόσμο γύρω μας στις αρχές του 20ου αιώνα.
Γόνιμη χρονιά του Αϊνστάιν
Το 1905, ο Αϊνστάιν δημοσίευσε πολλά άρθρα ταυτόχρονα, τα οποία αφορούσαν κυρίως δύο θέματα: τη θεωρία της σχετικότητας που ανέπτυξε και την εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Τα υλικά δημοσιεύτηκαν στο γερμανικό περιοδικό Annalen der Physik. Οι ίδιοι οι τίτλοι αυτών των δύο άρθρων προκάλεσαν σύγχυση στον κύκλο των επιστημόνων εκείνη την εποχή:
- "Η αδράνεια ενός σώματος εξαρτάται από την ενέργεια που περιέχει;";
- "Μια ευρετική άποψη για την προέλευση και τον μετασχηματισμό του φωτός".
Στο πρώτο, ο επιστήμονας παραθέτει τον επί του παρόντος γνωστό τύπο της θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν, ο οποίος συνδυάζειομοιόμορφη ισότητα μάζας και ενέργειας. Το δεύτερο άρθρο παρέχει μια εξίσωση για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Και οι δύο τύποι χρησιμοποιούνται επί του παρόντος τόσο για εργασία με ραδιενεργό ύλη όσο και για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ηλεκτρομαγνητικά κύματα.
Σύντομος τύπος της ειδικής σχετικότητας
Η θεωρία της σχετικότητας που αναπτύχθηκε από τον Αϊνστάιν εξετάζει τα φαινόμενα όταν οι μάζες των αντικειμένων και οι ταχύτητες κίνησής τους είναι τεράστιες. Σε αυτό, ο Αϊνστάιν υποστηρίζει ότι είναι αδύνατο να κινηθεί κανείς ταχύτερα από το φως σε οποιοδήποτε πλαίσιο αναφοράς και ότι σε ταχύτητες κοντά στο φως, οι ιδιότητες του χωροχρόνου αλλάζουν, για παράδειγμα, ο χρόνος αρχίζει να επιβραδύνεται.
Η θεωρία της σχετικότητας είναι δύσκολο να κατανοηθεί από λογική άποψη, επειδή έρχεται σε αντίθεση με τις συνήθεις ιδέες για την κίνηση, οι νόμοι της οποίας θεσπίστηκαν από τον Νεύτωνα τον 17ο αιώνα. Ωστόσο, ο Αϊνστάιν βρήκε έναν κομψό και απλό τύπο από πολύπλοκους μαθηματικούς υπολογισμούς:
E=mc2.
Αυτή η έκφραση ονομάζεται τύπος του Αϊνστάιν για την ενέργεια και τη μάζα. Ας καταλάβουμε τι σημαίνει.
Οι έννοιες της μάζας, της ενέργειας και της ταχύτητας του φωτός
Για να κατανοήσετε καλύτερα τον τύπο του Albert Einstein, θα πρέπει να κατανοήσετε λεπτομερώς τη σημασία κάθε συμβόλου που υπάρχει σε αυτόν.
Ας ξεκινήσουμε με τη μάζα. Μπορείτε συχνά να ακούσετε ότι αυτή η φυσική ποσότητα σχετίζεται με την ποσότητα της ύλης που περιέχεται στο σώμα. Αυτό δεν είναι απολύτως αληθές. Είναι πιο σωστό να ορίσουμε τη μάζα ως μέτρο αδράνειας. Όσο μεγαλύτερο είναι το σώμα, τόσο πιο δύσκολο είναι να του δώσεις μια βεβαιότηταΤαχύτητα. Η μάζα μετριέται σε κιλά.
Το θέμα της ενέργειας δεν είναι επίσης απλό. Έτσι, υπάρχει μια ποικιλία από τις εκδηλώσεις του: φως και θερμική, ατμός και ηλεκτρική, κινητική και δυναμική, χημικοί δεσμοί. Όλα αυτά τα είδη ενέργειας ενώνονται με μια σημαντική ιδιότητα - την ικανότητά τους να κάνουν δουλειά. Με άλλα λόγια, η ενέργεια είναι ένα φυσικό μέγεθος που είναι ικανό να κινεί σώματα ενάντια στη δράση άλλων εξωτερικών δυνάμεων. Το μέτρο SI είναι το τζάουλ.
Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός είναι περίπου ξεκάθαρο σε όλους. Εννοείται ως η απόσταση που διανύει ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα ανά μονάδα χρόνου. Για το κενό, αυτή η τιμή είναι μια σταθερά· σε οποιοδήποτε άλλο πραγματικό μέσο, μειώνεται. Η ταχύτητα του φωτός μετριέται σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο.
Η έννοια του τύπου του Αϊνστάιν
Αν κοιτάξετε προσεκτικά αυτόν τον απλό τύπο, μπορείτε να δείτε ότι η μάζα σχετίζεται με την ενέργεια μέσω μιας σταθεράς (το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός). Ο ίδιος ο Αϊνστάιν εξήγησε ότι η μάζα και η ενέργεια είναι εκδηλώσεις του ίδιου πράγματος. Σε αυτήν την περίπτωση, είναι δυνατές οι μεταβάσεις m στο E και πίσω.
Πριν από την εμφάνιση της θεωρίας του Αϊνστάιν, οι επιστήμονες πίστευαν ότι οι νόμοι της διατήρησης της μάζας και της ενέργειας υπάρχουν χωριστά και ισχύουν για οποιεσδήποτε διεργασίες συμβαίνουν σε κλειστά συστήματα. Ο Αϊνστάιν έδειξε ότι αυτό δεν συμβαίνει, και αυτά τα φαινόμενα επιμένουν όχι χωριστά, αλλά μαζί.
Ένα άλλο χαρακτηριστικό του τύπου του Αϊνστάιν ή του νόμου της ισοδυναμίας μάζας και ενέργειας είναι ο συντελεστής αναλογικότητας μεταξύ αυτών των μεγεθών,δηλαδή c2. Είναι περίπου ίσο με 1017 m2/s2. Αυτή η τεράστια τιμή υποδηλώνει ότι ακόμη και μια μικρή ποσότητα μάζας περιέχει τεράστια αποθέματα ενέργειας. Για παράδειγμα, αν ακολουθήσετε αυτόν τον τύπο, τότε μόνο ένα αποξηραμένο σταφύλι (σταφίδα) μπορεί να ικανοποιήσει όλες τις ενεργειακές ανάγκες της Μόσχας σε μια μέρα. Από την άλλη, αυτός ο τεράστιος παράγοντας εξηγεί επίσης γιατί δεν παρατηρούμε αλλαγές μάζας στη φύση, επειδή είναι πολύ μικρές για τις ενεργειακές τιμές που χρησιμοποιούμε.
Η επιρροή της φόρμουλας στην πορεία της ιστορίας του 20ού αιώνα
Χάρη στη γνώση αυτού του τύπου, ένα άτομο μπόρεσε να κυριαρχήσει στην ατομική ενέργεια, τα τεράστια αποθέματα της οποίας εξηγούνται από τις διαδικασίες εξαφάνισης της μάζας. Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα είναι η σχάση του πυρήνα του ουρανίου. Αν αθροίσουμε τη μάζα των ισοτόπων φωτός που σχηματίστηκαν μετά από αυτή τη σχάση, τότε θα αποδειχθεί πολύ μικρότερη από αυτή του αρχικού πυρήνα. Η εξαφανισμένη μάζα μετατρέπεται σε ενέργεια.
Η ανθρώπινη ικανότητα να χρησιμοποιεί ατομική ενέργεια οδήγησε στη δημιουργία ενός αντιδραστήρα που χρησιμεύει για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στον άμαχο πληθυσμό των πόλεων και στον σχεδιασμό του πιο θανατηφόρου όπλου σε όλη τη γνωστή ιστορία - της ατομικής βόμβας.
Η εμφάνιση της πρώτης ατομικής βόμβας στις Ηνωμένες Πολιτείες τερμάτισε τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο κατά της Ιαπωνίας νωρίτερα από το χρονοδιάγραμμα (το 1945, οι Ηνωμένες Πολιτείες έριξαν αυτές τις βόμβες σε δύο ιαπωνικές πόλεις) και έγινε επίσης ο κύριος αποτρεπτικός παράγοντας για την ξέσπασμα του Τρίτου Παγκοσμίου Πολέμου.
Ο ίδιος ο Αϊνστάιν, φυσικά, δεν μπορούσεγια να προβλέψει τέτοιες συνέπειες της φόρμουλας που ανακάλυψε. Σημειώστε ότι δεν συμμετείχε στο έργο του Μανχάταν για τη δημιουργία ατομικών όπλων.
Το φαινόμενο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και η εξήγησή του
Τώρα ας προχωρήσουμε στο ερώτημα για το οποίο ο Άλμπερτ Αϊνστάιν τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ στις αρχές της δεκαετίας του 1920.
Το φαινόμενο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, που ανακαλύφθηκε το 1887 από τον Hertz, συνίσταται στην εμφάνιση ελεύθερων ηλεκτρονίων πάνω από την επιφάνεια ενός συγκεκριμένου υλικού, εάν αυτό ακτινοβοληθεί με φως ορισμένων συχνοτήτων. Δεν ήταν δυνατό να εξηγηθεί αυτό το φαινόμενο από τη σκοπιά της κυματικής θεωρίας του φωτός, που καθιερώθηκε στις αρχές του 20ου αιώνα. Έτσι, δεν ήταν σαφές γιατί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο παρατηρείται χωρίς χρονική καθυστέρηση (λιγότερο από 1 ns), γιατί το δυναμικό επιβράδυνσης δεν εξαρτάται από την ένταση της πηγής φωτός. Ο Αϊνστάιν έδωσε μια λαμπρή εξήγηση.
Ο επιστήμονας πρότεινε ένα απλό πράγμα: όταν το φως αλληλεπιδρά με την ύλη, δεν συμπεριφέρεται σαν κύμα, αλλά σαν ένα σώμα, ένα κβάντο, ένας θρόμβος ενέργειας. Οι αρχικές έννοιες ήταν ήδη γνωστές - η σωματιδιακή θεωρία προτάθηκε από τον Νεύτωνα στα μέσα του 17ου αιώνα και η έννοια των κβαντών ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων εισήχθη από τον συμπατριώτη φυσικό Μαξ Πλανκ. Ο Αϊνστάιν μπόρεσε να συγκεντρώσει όλη τη γνώση της θεωρίας και του πειράματος. Πίστευε ότι ένα φωτόνιο (κβάντο φωτός), που αλληλεπιδρά με ένα μόνο ηλεκτρόνιο, του δίνει πλήρως την ενέργειά του. Εάν αυτή η ενέργεια είναι αρκετά μεγάλη για να σπάσει τον δεσμό μεταξύ του ηλεκτρονίου και του πυρήνα, τότε το φορτισμένο στοιχειώδες σωματίδιο ανοίγει από το άτομο και μεταβαίνει σε ελεύθερη κατάσταση.
Προβολές με ετικέταεπέτρεψε στον Αϊνστάιν να γράψει τον τύπο για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Θα το εξετάσουμε στην επόμενη παράγραφο.
Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και η εξίσωσή του
Αυτή η εξίσωση είναι λίγο μεγαλύτερη από τη διάσημη σχέση ενέργειας-μάζας. Μοιάζει με αυτό:
hv=A + Ek.
Αυτή η εξίσωση ή ο τύπος του Αϊνστάιν για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο αντικατοπτρίζει την ουσία αυτού που συμβαίνει στη διαδικασία: ένα φωτόνιο με ενέργεια hv (η σταθερά του Planck πολλαπλασιασμένη επί τη συχνότητα ταλάντωσης) δαπανάται για τη διάσπαση του δεσμού μεταξύ του ηλεκτρονίου και ο πυρήνας (Α είναι η συνάρτηση εργασίας του ηλεκτρονίου) και κατά την επικοινωνία ενός αρνητικού σωματιδίου κινητικής ενέργειας (Ek).
Ο παραπάνω τύπος κατέστησε δυνατή την εξήγηση όλων των μαθηματικών εξαρτήσεων που παρατηρήθηκαν σε πειράματα σχετικά με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και οδήγησε στη διατύπωση των αντίστοιχων νόμων για το υπό εξέταση φαινόμενο.
Πού χρησιμοποιείται το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο;
Επί του παρόντος, οι ιδέες του Αϊνστάιν που περιγράφονται παραπάνω εφαρμόζονται για τη μετατροπή της φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική χάρη στα ηλιακά πάνελ.
Χρησιμοποιούν ένα εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, δηλαδή τα ηλεκτρόνια που «βγαίνουν» από το άτομο δεν φεύγουν από το υλικό, αλλά παραμένουν σε αυτό. Η δραστική ουσία είναι ημιαγωγοί πυριτίου τύπου n και p.
