Альберт Эйнштейнді планетамыздың әрбір тұрғыны білетін шығар. Бұл масса мен энергия арасындағы байланыстың әйгілі формуласының арқасында белгілі. Алайда ол үшін Нобель сыйлығын алған жоқ. Бұл мақалада біз 20 ғасырдың басында бізді қоршаған әлем туралы физикалық идеяларды өзгерткен Эйнштейннің екі формуласын қарастырамыз.
Эйнштейннің жемісті жылы
1905 жылы Эйнштейн бірден бірнеше мақала жариялады, олар негізінен екі тақырыпты қарастырды: өзі жасаған салыстырмалылық теориясы және фотоэффекттің түсіндірмесі. Материалдар немістің Annalen der Physik журналында жарияланған. Осы екі мақаланың атауының өзі сол кездегі ғалымдарды таң қалдырды:
- "Дененің инерциясы оның құрамындағы энергияға тәуелді ме?";
- "Жарықтың пайда болуы мен түрленуі туралы эвристикалық көзқарас".
Біріншісінде ғалым Эйнштейннің салыстырмалылық теориясының қазіргі кезде белгілі формуласын келтіреді, олмасса мен энергияның біркелкі теңдігі. Екінші мақалада фотоэффект теңдеуі берілген. Екі формула да қазіргі уақытта радиоактивті заттармен жұмыс істеу және электромагниттік толқындардан электр энергиясын өндіру үшін қолданылады.
Арнайы салыстырмалылықтың қысқаша формуласы
Эйнштейн әзірлеген салыстырмалылық теориясы объектілердің массасы мен олардың қозғалыс жылдамдығы үлкен болған кездегі құбылыстарды қарастырады. Онда Эйнштейн кез келген санақ жүйесінде жарықтан жылдамырақ қозғалу мүмкін емес, ал жарыққа жақын жылдамдықта кеңістік-уақыт қасиеттері өзгереді, мысалы, уақыт баяулай бастайды деп тұжырымдайды.
Салыстырмалылық теориясын логикалық тұрғыдан түсіну қиын, өйткені ол қозғалыс туралы заңдарды 17 ғасырда Ньютон белгілеген әдеттегі идеяларға қайшы келеді. Дегенмен, Эйнштейн күрделі математикалық есептеулерден талғампаз және қарапайым формула ойлап тапты:
E=mc2.
Бұл өрнек Эйнштейннің энергия мен масса формуласы деп аталады. Оның нені білдіретінін анықтап алайық.
Масса, энергия және жарық жылдамдығы туралы түсініктер
Альберт Эйнштейннің формуласын жақсырақ түсіну үшін ондағы әрбір таңбаның мағынасын егжей-тегжейлі түсіну керек.
Массадан бастайық. Бұл физикалық шама денедегі заттың мөлшерімен байланысты екенін жиі естисіз. Бұл мүлдем дұрыс емес. Инерция өлшемі ретінде массаны анықтау дұрысырақ. Дене неғұрлым үлкен болса, оған белгілі бір мән беру қиынырақжылдамдық. Масса килограмммен өлшенеді.
Энергия мәселесі де оңай емес. Сонымен, оның әртүрлі көріністері бар: жарық және жылу, бу және электр, кинетикалық және потенциалдық, химиялық байланыстар. Энергияның осы түрлерінің барлығын бір маңызды қасиет біріктіреді - олардың жұмыс істеу қабілеті. Басқаша айтқанда, энергия - денелерді басқа сыртқы күштердің әрекетіне қарсы жылжытуға қабілетті физикалық шама. SI өлшемі - джоуль.
Жарық жылдамдығы қандай екені шамамен барлығына түсінікті. Ол электромагниттік толқынның уақыт бірлігінде жүретін қашықтығы деп түсініледі. Вакуум үшін бұл мән тұрақты, кез келген басқа нақты ортада ол төмендейді. Жарық жылдамдығы секундына метрмен өлшенеді.
Эйнштейн формуласының мәні
Осы қарапайым формулаға мұқият қарасаңыз, массаның энергияға тұрақты шама (жарық жылдамдығының квадраты) арқылы байланысты екенін көруге болады. Эйнштейннің өзі масса мен энергия бір нәрсенің көрінісі деп түсіндірді. Бұл жағдайда m-ге және артқа өтуге болады.
Эйнштейн теориясы пайда болғанға дейін ғалымдар масса мен энергияның сақталу заңдары бөлек бар және тұйық жүйелерде болатын кез келген процестер үшін жарамды деп есептеген. Эйнштейн бұлай емес екенін көрсетті және бұл құбылыстар бөлек емес, бірге сақталады.
Эйнштейн формуласының немесе масса мен энергияның эквиваленттік заңының тағы бір ерекшелігі – осы шамалар арасындағы пропорционалдық коэффициенті,яғни c2. Ол шамамен 1017 m2/s2 шамасына тең. Бұл үлкен мән массаның аздаған мөлшерінің өзінде энергияның үлкен қоры бар екенін көрсетеді. Мысалы, егер сіз осы формуланы ұстанатын болсаңыз, онда бір ғана кептірілген жүзім (мейіз) Мәскеудің барлық энергия қажеттіліктерін бір күнде қанағаттандыра алады. Екінші жағынан, бұл үлкен фактор табиғаттағы жаппай өзгерістерді неге байқамайтынымызды да түсіндіреді, себебі олар біз қолданатын энергия мәндері үшін тым аз.
Формуланың 20 ғасыр тарихының барысына әсері
Осы формуланы білудің арқасында адам атом энергиясын меңгере алды, оның орасан зор қоры массаның жойылу процестерімен түсіндіріледі. Жарқын мысал - уран ядросының ыдырауы. Егер осы бөлінуден кейін түзілген жарық изотоптарының массасын қоссақ, онда ол бастапқы ядроға қарағанда әлдеқайда аз болады. Жоғалған масса энергияға айналады.
Адамның атом энергиясын пайдалану қабілеті қалалардың бейбіт тұрғындарын электр энергиясымен қамтамасыз ететін реактордың жасалуына және белгілі тарихтағы ең жойқын қарудың - атом бомбасының дизайнына әкелді.
АҚШ-та бірінші атом бомбасының пайда болуы Жапонияға қарсы Екінші дүниежүзілік соғысты мерзімінен бұрын аяқтады (1945 жылы Америка Құрама Штаттары бұл бомбаларды Жапонияның екі қаласына тастады), сонымен қатар АҚШ-тың негізгі тежеушісі болды. Үшінші дүниежүзілік соғыстың басталуы.
Эйнштейннің өзі, әрине, алмадыөзі ашқан формуланың осындай салдарын болжау. Оның атом қаруын жасау жөніндегі Манхэттен жобасына қатыспағанын ескеріңіз.
Фотоэффект құбылысы және оның түсіндірмесі
Енді 1920 жылдардың басында Альберт Эйнштейнге Нобель сыйлығы берілген сұраққа көшейік.
1887 жылы Герц ашқан фотоэффект құбылысы, егер ол белгілі бір жиіліктегі жарықпен сәулеленетін болса, белгілі бір материалдың бетінде бос электрондардың пайда болуынан тұрады. Бұл құбылысты 20 ғасырдың басында қалыптасқан жарықтың толқындық теориясы тұрғысынан түсіндіру мүмкін болмады. Осылайша, фотоэффект неліктен уақыт кідірісінсіз (1 нс-тен аз) байқалатыны, неліктен баяулау потенциалы жарық көзінің интенсивтілігіне байланысты емес екені түсініксіз болды. Эйнштейн тамаша түсініктеме берді.
Ғалым қарапайым нәрсені ұсынды: жарық затпен әрекеттескенде, ол толқын сияқты емес, корпускула, квант, энергия ұйығышы сияқты әрекет етеді. Бастапқы концепциялар бұрыннан белгілі болды – корпускулалық теорияны 17 ғасырдың ортасында Ньютон ұсынды, ал электромагниттік толқын кванттары ұғымын отандас физик Макс Планк енгізді. Эйнштейн теория мен эксперименттің барлық білімін біріктіре алды. Ол бір ғана электронмен әрекеттесетін фотон (жарық кванты) оған өз энергиясын толығымен береді деп есептеді. Егер бұл энергия электрон мен ядро арасындағы байланысты үзетіндей үлкен болса, онда зарядталған элементар бөлшек атомнан ашылып, бос күйге өтеді.
Тектелген көріністерЭйнштейнге фотоэффект формуласын жазуға мүмкіндік берді. Оны келесі абзацта қарастырамыз.
Фотоэффект және оның теңдеуі
Бұл теңдеу әйгілі энергия-масса қатынасынан сәл ұзынырақ. Мынадай көрінеді:
hv=A + Ek.
Бұл теңдеу немесе Эйнштейннің фотоэффект формуласы процесте болып жатқанның мәнін көрсетеді: энергиясы hv (Планк тұрақтысы тербеліс жиілігіне көбейтілген) фотон электрон арасындағы байланысты үзуге жұмсалады. және ядро (A – электронның жұмыс функциясы) және кинетикалық энергияның теріс бөлшектерімен байланысуы (Ek).
Жоғарыда келтірілген формула фотоэффект бойынша эксперименттерде байқалған барлық математикалық тәуелділіктерді түсіндіруге мүмкіндік берді және қарастырылып отырған құбылысқа сәйкес заңдарды тұжырымдауға әкелді.
Фотоэффект қайда қолданылады?
Қазіргі уақытта Эйнштейннің жоғарыда айтылған идеялары күн панельдерінің арқасында жарық энергиясын электр энергиясына айналдыру үшін қолданылуда.
Олар ішкі фотоэффектіні пайдаланады, яғни атомнан «суырып алынған» электрондар материалдан шықпай, оның ішінде қалады. Белсенді зат n- және p-типті кремний жартылай өткізгіштері.
