Albert Einstein muhtemelen gezegenimizin her sakini tarafından biliniyor. Kütle ve enerji arasındaki bağlantı için ünlü formül sayesinde bilinir. Ancak bunun için Nobel Ödülü'nü almadı. Bu yazıda, 20. yüzyılın başında çevremizdeki dünya hakkındaki fiziksel fikirleri değiştiren iki Einstein formülünü ele alacağız.
Einstein'ın verimli yılı
1905'te Einstein aynı anda birkaç makale yayınladı ve bu makaleler esas olarak iki konuyu ele aldı: geliştirdiği görelilik teorisi ve fotoelektrik etkinin açıklaması. Materyaller Alman Annalen der Physik dergisinde yayınlandı. Bu iki makalenin başlıkları o zamanki bilim adamlarının çevresinde şaşkınlık yarattı:
- "Bir cismin eylemsizliği içerdiği enerjiye mi bağlıdır?";
- "Işığın kökeni ve dönüşümüne sezgisel bir bakış açısı".
İlkinde, bilim adamı Einstein'ın görelilik teorisinin şu anda bilinen formülünü aktarıyor.kütle ve enerjinin düzgün eşitliği. İkinci makale, fotoelektrik etki için bir denklem sağlar. Her iki formül de şu anda hem radyoaktif maddelerle çalışmak hem de elektromanyetik dalgalardan elektrik enerjisi üretmek için kullanılmaktadır.
Özel göreliliğin kısa formülü
Einstein tarafından geliştirilen görelilik teorisi, nesnelerin kütlelerinin ve hareket hızlarının çok büyük olduğu olguları dikkate alır. İçinde Einstein, herhangi bir referans çerçevesinde ışıktan daha hızlı hareket etmenin imkansız olduğunu ve ışık hızına yakın hızlarda uzay-zamanın özelliklerinin değiştiğini, örneğin zamanın yavaşlamaya başladığını varsayıyor.
Görelilik teorisini mantıklı bir bakış açısıyla anlamak zordur, çünkü yasaları Newton tarafından 17. yüzyılda kurulan hareket hakkındaki olağan fikirlerle çelişir. Ancak Einstein, karmaşık matematiksel hesaplamalardan zarif ve basit bir formül buldu:
E=mc2.
Bu ifadeye Einstein'ın enerji ve kütle formülü denir. Ne anlama geldiğini bulalım.
Kütle, enerji ve ışık hızı kavramları
Albert Einstein'ın formülünü daha iyi anlamak için, içinde bulunan her sembolün anlamını ayrıntılı olarak anlamalısınız.
Kütle ile başlayalım. Bu fiziksel miktarın vücutta bulunan madde miktarıyla ilgili olduğunu sık sık duyabilirsiniz. Bu tamamen doğru değil. Kütleyi atalet ölçüsü olarak tanımlamak daha doğrudur. Vücut ne kadar büyükse, ona kesin bir şey vermek o kadar zor olur.hız. Kütle kilogramla ölçülür.
Enerji konusu da basit değil. Bu nedenle, çeşitli tezahürleri vardır: hafif ve termal, buhar ve elektrik, kinetik ve potansiyel, kimyasal bağlar. Tüm bu enerji türleri, önemli bir özellik tarafından birleştirilir - iş yapma yetenekleri. Başka bir deyişle, enerji, cisimleri diğer dış kuvvetlerin hareketine karşı hareket ettirebilen fiziksel bir niceliktir. SI ölçüsü joule'dür.
Işık hızının ne olduğu herkes için yaklaşık olarak açıktır. Bir elektromanyetik dalganın birim zamanda kat ettiği mesafe olarak anlaşılır. Vakum için bu değer bir sabittir; diğer herhangi bir gerçek ortamda azalır. Işık hızı saniyede metre cinsinden ölçülür.
Einstein'ın formülünün anlamı
Bu basit formüle yakından bakarsanız, kütlenin enerjiyle bir sabit (ışık hızının karesi) aracılığıyla ilişkili olduğunu görebilirsiniz. Einstein'ın kendisi, kütle ve enerjinin aynı şeyin tezahürleri olduğunu açıkladı. Bu durumda, m'den E'ye ve geriye geçişler mümkündür.
Einstein'ın teorisinin ortaya çıkmasından önce, bilim adamları kütle ve enerjinin korunumu yasalarının ayrı ayrı var olduğuna ve kapalı sistemlerde meydana gelen herhangi bir süreç için geçerli olduğuna inanıyorlardı. Einstein, durumun böyle olmadığını ve bu fenomenlerin ayrı ayrı değil, birlikte devam ettiğini gösterdi.
Einstein'ın formülünün veya kütle ile enerjinin denkliği yasasının bir başka özelliği de bu nicelikler arasındaki orantı katsayısıdır.yani c2. Yaklaşık olarak 1017 m2/s2'a eşittir. Bu devasa değer, küçük bir kütle miktarının bile çok büyük enerji rezervleri içerdiğini göstermektedir. Örneğin, bu formülü takip ederseniz, sadece bir kuru üzüm (kuru üzüm), bir günde Moskova'nın tüm enerji ihtiyacını karşılayabilir. Öte yandan bu devasa faktör, kullandığımız enerji değerleri için çok küçük olduğu için doğadaki kütle değişimlerini neden gözlemlemediğimizi de açıklıyor.
Formülün 20. yüzyıl tarihinin akışına etkisi
Bu formülün bilgisi sayesinde, bir kişi büyük rezervleri kütlenin kaybolma süreçleri ile açıklanan atom enerjisine hakim olabildi. Çarpıcı bir örnek, uranyum çekirdeğinin fisyonudur. Bu fisyondan sonra oluşan ışık izotoplarının kütlesini toplarsak, orijinal çekirdeğin kütlesinden çok daha az olduğu ortaya çıkacaktır. Kaybolan kütle enerjiye dönüşür.
İnsanın atom enerjisini kullanma yeteneği, şehirlerin sivil nüfusuna elektrik sağlamaya hizmet eden bir reaktörün yaratılmasına ve bilinen tüm tarihin en ölümcül silahı olan atom bombasının tasarımına yol açtı.
İlk atom bombasının Amerika Birleşik Devletleri'nde ortaya çıkması, Japonya'ya karşı İkinci Dünya Savaşı'nı planlanandan önce sona erdirdi (1945'te Amerika Birleşik Devletleri bu bombaları iki Japon şehrine attı) ve aynı zamanda Japonya'nın ana caydırıcısı oldu. Üçüncü Dünya Savaşı'nın patlak vermesi.
Einstein'ın kendisi elbette yapamazdıkeşfettiği formülün bu tür sonuçlarını öngörmek. Atom silahları yaratmak için Manhattan projesinde yer almadığını unutmayın.
Fotoelektrik etki olgusu ve açıklaması
Şimdi Albert Einstein'ın 1920'lerin başında Nobel Ödülü'ne layık görüldüğü soruya geçelim.
1887'de Hertz tarafından keşfedilen fotoelektrik etki fenomeni, belirli frekanslardaki ışıkla ışınlanırsa, belirli bir malzemenin yüzeyinin üzerinde serbest elektronların görünmesinden oluşur. Bu fenomeni, 20. yüzyılın başında kurulan ışığın dalga teorisi açısından açıklamak mümkün değildi. Bu nedenle, fotoelektrik etkinin neden zaman gecikmesi olmadan (1 ns'den az) gözlemlendiği, yavaşlama potansiyelinin neden ışık kaynağının yoğunluğuna bağlı olmadığı açık değildi. Einstein harika bir açıklama yaptı.
Bilim adamı basit bir şey önerdi: Işık madde ile etkileşime girdiğinde, bir dalga gibi değil, bir cisimcik, bir kuantum, bir enerji pıhtısı gibi davranır. İlk kavramlar zaten biliniyordu - cisimsel teori, Newton tarafından 17. yüzyılın ortalarında önerildi ve elektromanyetik dalga kuantum kavramı, yurttaş fizikçi Max Planck tarafından tanıtıldı. Einstein, tüm teori ve deney bilgilerini bir araya getirmeyi başardı. Sadece bir elektronla etkileşime giren bir fotonun (kuantum ışık) ona enerjisini tamamen verdiğine inanıyordu. Bu enerji elektron ve çekirdek arasındaki bağı koparacak kadar büyükse, yüklü temel parçacık atomdan açılır ve serbest duruma geçer.
Etiketli GörünümlerEinstein'ın fotoelektrik etkinin formülünü yazmasına izin verdi. Bir sonraki paragrafta ele alacağız.
Fotoelektrik etki ve denklemi
Bu denklem ünlü enerji-kütle ilişkisinden biraz daha uzun. Şuna benziyor:
hv=A + Ek.
Bu denklem veya Einstein'ın fotoelektrik etki formülü, süreçte neler olduğunun özünü yansıtır: hv enerjisine sahip bir foton (Planck sabitinin salınım frekansıyla çarpımı) elektron arasındaki bağı kırmak için harcanır. ve çekirdek (A elektronun iş fonksiyonudur) ve kinetik enerjiye sahip negatif bir parçacığın iletilmesi üzerine (Ek).
Yukarıdaki formül, fotoelektrik etkiyle ilgili deneylerde gözlemlenen tüm matematiksel bağımlılıkları açıklamayı mümkün kıldı ve söz konusu fenomen için karşılık gelen yasaların formüle edilmesini sağladı.
Fotoelektrik etki nerede kullanılır?
Şu anda Einstein'ın yukarıda özetlenen fikirleri güneş panelleri sayesinde ışık enerjisini elektriğe dönüştürmek için uygulanıyor.
Dahili bir fotoelektrik etki kullanırlar, yani atomdan "çekilen" elektronlar maddeyi terk etmezler, onun içinde kalırlar. Aktif madde n- ve p-tipi silikon yarı iletkenlerdir.
