Alberta Einsteina zná snad každý obyvatel naší planety. Je známá díky slavnému vzorci na spojení hmoty a energie. Nobelovu cenu za to však nedostal. V tomto článku se podíváme na dva Einsteinovy vzorce, které změnily fyzikální představy o světě kolem nás na začátku 20. století.
Einsteinův plodný rok
V roce 1905 Einstein publikoval několik článků najednou, které se zabývaly především dvěma tématy: teorií relativity, kterou vyvinul, a vysvětlením fotoelektrického jevu. Materiály byly publikovány v německém časopise Annalen der Physik. Samotné názvy těchto dvou článků způsobily v tehdejším kruhu vědců zmatek:
- "Závisí setrvačnost tělesa na energii, kterou obsahuje?";
- "Heuristický pohled na původ a přeměnu světla".
V první cituje vědec aktuálně známý vzorec Einsteinovy teorie relativity, který kombinujerovnoměrná rovnost hmoty a energie. Druhý článek poskytuje rovnici pro fotoelektrický jev. Oba vzorce se v současnosti používají jak pro práci s radioaktivní hmotou, tak pro generování elektrické energie z elektromagnetických vln.
Krátký vzorec speciální teorie relativity
Teorie relativity vyvinutá Einsteinem uvažuje o jevech, kdy jsou hmoty objektů a jejich rychlosti pohybu obrovské. Einstein v něm předpokládá, že je nemožné pohybovat se rychleji než světlo v jakékoli vztažné soustavě a že při rychlostech blízkých světlu se vlastnosti časoprostoru mění, například čas se začíná zpomalovat.
Teorie relativity je z logického hlediska těžko pochopitelná, protože odporuje obvyklým představám o pohybu, jejichž zákony stanovil Newton v 17. století. Einstein však přišel s elegantním a jednoduchým vzorcem ze složitých matematických výpočtů:
E=mc2.
Tento výraz se nazývá Einsteinův vzorec pro energii a hmotnost. Pojďme zjistit, co to znamená.
Pojmy hmoty, energie a rychlosti světla
Abyste lépe porozuměli vzorci Alberta Einsteina, měli byste podrobně porozumět významu každého symbolu, který je v něm přítomen.
Začněme mší. Často můžete slyšet, že tato fyzikální veličina souvisí s množstvím hmoty obsažené v těle. Není to tak úplně pravda. Správnější je definovat hmotnost jako míru setrvačnosti. Čím větší tělo, tím těžší je dát mu jistotuRychlost. Hmotnost se měří v kilogramech.
Otázka energie také není jednoduchá. Existují tedy různé jeho projevy: světelné a tepelné, parní a elektrické, kinetické a potenciální, chemické vazby. Všechny tyto druhy energie spojuje jedna důležitá vlastnost – jejich schopnost konat práci. Jinými slovy, energie je fyzikální veličina, která je schopna pohybovat tělesy proti působení jiných vnějších sil. Míra SI je joule.
Jaká je rychlost světla, je přibližně každému jasné. Je chápána jako vzdálenost, kterou urazí elektromagnetická vlna za jednotku času. Pro vakuum je tato hodnota konstantní, v jakémkoli jiném reálném prostředí klesá. Rychlost světla se měří v metrech za sekundu.
Význam Einsteinova vzorce
Pokud se pozorně podíváte na tento jednoduchý vzorec, můžete vidět, že hmotnost souvisí s energií prostřednictvím konstanty (druhé mocniny rychlosti světla). Sám Einstein vysvětlil, že hmotnost a energie jsou projevy stejné věci. V tomto případě jsou možné přechody m na E a zpět.
Před příchodem Einsteinovy teorie se vědci domnívali, že zákony zachování hmoty a energie existují odděleně a platí pro všechny procesy probíhající v uzavřených systémech. Einstein ukázal, že tomu tak není a tyto jevy přetrvávají ne odděleně, ale společně.
Dalším rysem Einsteinova vzorce neboli zákona ekvivalence hmotnosti a energie je koeficient úměrnosti mezi těmito veličinami,tj. c2. Přibližně se rovná 1017 m2/s2. Tato obrovská hodnota naznačuje, že i malé množství hmoty obsahuje obrovské zásoby energie. Například, pokud budete postupovat podle tohoto vzorce, pak pouze jeden sušený hroznový (rozinka) může uspokojit všechny energetické potřeby Moskvy za jeden den. Na druhou stranu tento obrovský faktor také vysvětluje, proč nepozorujeme hromadné změny v přírodě, protože jsou příliš malé na energetické hodnoty, které používáme.
Vliv vzorce na běh dějin 20. století
Díky znalosti tohoto vzorce byl člověk schopen ovládnout atomovou energii, jejíž obrovské zásoby se vysvětlují procesy mizení hmoty. Pozoruhodným příkladem je štěpení jádra uranu. Pokud sečteme hmotnost světelných izotopů vzniklých po tomto štěpení, vyjde to mnohem méně než u původního jádra. Zmizelá hmota se mění v energii.
Schopnost člověka využívat atomovou energii vedla k vytvoření reaktoru, který slouží k poskytování elektřiny civilnímu obyvatelstvu měst, a ke konstrukci nejsmrtelnější zbraně v celé známé historii – atomové bomby.
Výskyt první atomové bomby ve Spojených státech ukončil druhou světovou válku proti Japonsku s předstihem (v roce 1945 Spojené státy shodily tyto bomby na dvě japonská města) a stal se také hlavním odstrašujícím prostředkem vypuknutí třetí světové války.
Einstein sám samozřejmě nemohlpředvídat takové důsledky vzorce, který objevil. Všimněte si, že se nezúčastnil projektu na Manhattanu na vytvoření atomových zbraní.
Jev fotoelektrického jevu a jeho vysvětlení
Přejděme nyní k otázce, za kterou byl Albert Einstein na počátku 20. let 20. století oceněn Nobelovou cenou.
Jev fotoelektrického jevu, objevený v roce 1887 Hertzem, spočívá ve výskytu volných elektronů nad povrchem určitého materiálu, pokud je ozářen světlem určitých frekvencí. Tento jev nebylo možné vysvětlit z hlediska vlnové teorie světla, která byla založena na počátku 20. století. Nebylo tedy jasné, proč je fotoelektrický jev pozorován bez časového zpoždění (méně než 1 ns), proč zpomalovací potenciál nezávisí na intenzitě světelného zdroje. Einstein podal skvělé vysvětlení.
Vědec navrhl jednoduchou věc: když světlo interaguje s hmotou, nechová se jako vlna, ale jako tělísko, kvantum, sraženina energie. Již byly známy prvotní koncepty – korpuskulární teorii navrhl Newton v polovině 17. století a koncept elektromagnetických vlnových kvant zavedl krajanský fyzik Max Planck. Einstein dokázal spojit všechny poznatky teorie a experimentu. Věřil, že foton (kvantum světla), interagující pouze s jedním elektronem, mu zcela dává jeho energii. Pokud je tato energie dostatečně velká, aby přerušila vazbu mezi elektronem a jádrem, pak se nabitá elementární částice otevře z atomu a přejde do volného stavu.
Označená zobrazeníumožnil Einsteinovi zapsat vzorec pro fotoelektrický jev. Budeme to zvažovat v dalším odstavci.
Fotoelektrický jev a jeho rovnice
Tato rovnice je o něco delší než slavný vztah energie a hmotnosti. Vypadá to takto:
hv=A + Ek.
Tato rovnice nebo Einsteinův vzorec pro fotoelektrický jev odráží podstatu toho, co se děje v procesu: foton s energií hv (Planckova konstanta vynásobená frekvencí kmitání) je vynaložen na rozbití vazby mezi elektronem a jádra (A je pracovní funkce elektronu) a na předávání negativní částice kinetické energie (Ek).
Výše uvedený vzorec umožnil vysvětlit všechny matematické závislosti pozorované při experimentech na fotoelektrickém jevu a vedl k formulaci odpovídajících zákonů pro uvažovaný jev.
Kde se používá fotoelektrický efekt?
V současné době se výše uvedené Einsteinovy myšlenky uplatňují k přeměně světelné energie na elektřinu díky solárním panelům.
Využívají vnitřní fotoelektrický jev, to znamená, že elektrony „vytažené“z atomu materiál neopouštějí, ale zůstávají v něm. Účinnou látkou jsou křemíkové polovodiče typu n a p.
