Albert Eynshteynni sayyoramizning har bir aholisi bilishi mumkin. Bu massa va energiya o'rtasidagi aloqaning mashhur formulasi tufayli ma'lum. Biroq, u buning uchun Nobel mukofotini olmadi. Ushbu maqolada biz 20-asr boshlarida atrofimizdagi dunyo haqidagi fizik g'oyalarni o'zgartirgan Eynshteynning ikkita formulasini ko'rib chiqamiz.
Eynshteynning samarali yili
1905 yilda Eynshteyn bir vaqtning o'zida bir nechta maqolalarni nashr etdi, ular asosan ikkita mavzuga bag'ishlangan: u ishlab chiqqan nisbiylik nazariyasi va fotoelektr effektini tushuntirish. Materiallar Germaniyaning Annalen der Physik jurnalida chop etilgan. Ushbu ikki maqolaning sarlavhalari o'sha paytdagi olimlarni hayratda qoldirdi:
- "Jismning inertsiyasi uning tarkibidagi energiyaga bog'liqmi?";
- "Yorug'likning kelib chiqishi va o'zgarishi haqidagi evristik nuqtai nazar".
Birinchisida olim Eynshteynning nisbiylik nazariyasining hozirda ma'lum bo'lgan formulasini keltiradi, bu formuladamassa va energiyaning bir xil tengligi. Ikkinchi maqolada fotoelektr effekti tenglamasi keltirilgan. Hozirda ikkala formula ham radioaktiv moddalar bilan ishlash, ham elektromagnit to‘lqinlardan elektr energiyasi ishlab chiqarish uchun ishlatiladi.
Maxsus nisbiylikning qisqa formulasi
Eynshteyn tomonidan ishlab chiqilgan nisbiylik nazariyasi jismlarning massalari va ularning harakat tezligi juda katta bo'lgan hodisalarni ko'rib chiqadi. Unda Eynshteyn har qanday sanoq sistemasida yorug‘likdan tezroq harakat qilishning iloji yo‘qligini, yorug‘likka yaqin tezlikda fazo-vaqt xossalari o‘zgarishini, masalan, vaqt sekinlasha boshlashini ta’kidlaydi.
Nisbiylik nazariyasini mantiqiy nuqtai nazardan tushunish qiyin, chunki u qonunlari 17-asrda Nyuton tomonidan oʻrnatilgan harakat haqidagi odatiy gʻoyalarga ziddir. Biroq, Eynshteyn murakkab matematik hisob-kitoblardan nafis va sodda formulani o'ylab topdi:
E=mc2.
Bu ifoda energiya va massa uchun Eynshteyn formulasi deb ataladi. Keling, bu nimani anglatishini aniqlaymiz.
Masa, energiya va yorug'lik tezligi tushunchalari
Albert Eynshteyn formulasini yaxshiroq tushunish uchun undagi har bir belgining ma'nosini batafsil tushunishingiz kerak.
Masadan boshlaylik. Ushbu jismoniy miqdor tanadagi moddalar miqdori bilan bog'liqligini tez-tez eshitishingiz mumkin. Bu mutlaqo to'g'ri emas. Massani inertsiya o'lchovi sifatida belgilash to'g'riroq. Tana qanchalik katta bo'lsa, unga ma'lum bir narsani berish qiyinroqtezlik. Massa kilogrammda o'lchanadi.
Energetika masalasi ham oddiy emas. Shunday qilib, uning turli xil ko'rinishlari mavjud: yorug'lik va issiqlik, bug 'va elektr, kinetik va potentsial, kimyoviy bog'lanishlar. Bu energiya turlarining barchasi bitta muhim xususiyat bilan birlashtirilgan - ularning ish qobiliyati. Boshqacha qilib aytganda, energiya jismlarni boshqa tashqi kuchlar ta'siriga qarshi harakatlantirishga qodir bo'lgan jismoniy miqdordir. SI o'lchovi joule.
Yorug'lik tezligi qanday ekanligi hammaga aniq. Bu elektromagnit to'lqinning vaqt birligida bosib o'tadigan masofasi sifatida tushuniladi. Vakuum uchun bu qiymat doimiydir, boshqa har qanday haqiqiy muhitda u kamayadi. Yorug'lik tezligi sekundiga metr bilan o'lchanadi.
Eynshteyn formulasining ma'nosi
Agar siz ushbu oddiy formulaga diqqat bilan qarasangiz, massa doimiy (yorugʻlik tezligi kvadrati) orqali energiya bilan bogʻliqligini koʻrishingiz mumkin. Eynshteynning o'zi massa va energiya bir xil narsaning namoyon bo'lishini tushuntirdi. Bunday holda, m ga E va orqaga o'tish mumkin.
Eynshteyn nazariyasi paydo bo'lishidan oldin olimlar massa va energiyaning saqlanish qonunlari alohida mavjud va yopiq tizimlarda sodir bo'ladigan har qanday jarayonlar uchun amal qiladi, deb hisoblashgan. Eynshteyn bunday emasligini ko'rsatdi va bu hodisalar alohida emas, balki birga davom etadi.
Eynshteyn formulasi yoki massa va energiyaning ekvivalentlik qonunining yana bir xususiyati bu kattaliklar orasidagi proportsionallik koeffitsientidir,ya'ni c2. Bu taxminan 1017 m2/s2 ga teng. Bu katta qiymat shuni ko'rsatadiki, hatto kichik miqdordagi massa ham katta energiya zahirasini o'z ichiga oladi. Misol uchun, agar siz ushbu formulaga amal qilsangiz, unda faqat bitta quritilgan uzum (mayiz) bir kun ichida Moskvaning barcha energiya ehtiyojlarini qondirishi mumkin. Boshqa tomondan, bu ulkan omil nega biz tabiatdagi ommaviy o'zgarishlarni kuzatmasligimizni ham tushuntiradi, chunki ular biz foydalanadigan energiya qiymatlari uchun juda kichikdir.
Formulaning XX asr tarixiga ta'siri
Ushbu formulani bilish tufayli odam atom energiyasini o'zlashtira oldi, uning katta zaxiralari massaning yo'qolishi jarayonlari bilan izohlanadi. Yorqin misol - uran yadrosining bo'linishi. Agar bu bo'linishdan keyin hosil bo'lgan yorug'lik izotoplarining massasini qo'shsak, u asl yadronikidan ancha kichik bo'ladi. Yo'qolgan massa energiyaga aylanadi.
Insonning atom energiyasidan foydalanish qobiliyati shaharlarning tinch aholisini elektr energiyasi bilan ta'minlashga xizmat qiluvchi reaktorning yaratilishiga va barcha ma'lum tarixdagi eng halokatli qurol - atom bombasining dizayniga olib keldi.
Qo'shma Shtatlarda birinchi atom bombasining paydo bo'lishi Ikkinchi Jahon urushini Yaponiyaga qarshi muddatidan oldin tugatdi (1945 yilda Qo'shma Shtatlar bu bombalarni Yaponiyaning ikkita shahriga tashladi), shuningdek, urushning asosiy to'xtatuvchisi bo'ldi. Uchinchi jahon urushining boshlanishi.
Eynshteynning o'zi, albatta, qila olmadiu kashf etgan formulaning bunday oqibatlarini oldindan bilish. E'tibor bering, u Manxettendagi atom qurollarini yaratish loyihasida ishtirok etmagan.
Fotoelektrik effekt hodisasi va uning izohi
Endi 1920-yillar boshida Albert Eynshteyn Nobel mukofotiga sazovor boʻlgan savolga oʻtamiz.
1887-yilda Gerts tomonidan kashf etilgan fotoeffekt hodisasi, agar u ma'lum bir chastotali yorug'lik bilan nurlantirilsa, ma'lum bir material yuzasida erkin elektronlarning paydo bo'lishidan iborat. Bu hodisani 20-asr boshlarida asos solingan yorugʻlikning toʻlqin nazariyasi nuqtai nazaridan tushuntirish mumkin emas edi. Shunday qilib, nima uchun fotoelektr effekti vaqtni kechiktirmasdan (1 ns dan kam) kuzatilishi, nima uchun sekinlashtiruvchi potentsial yorug'lik manbasining intensivligiga bog'liq emasligi aniq emas edi. Eynshteyn ajoyib tushuntirish berdi.
Olim oddiy narsani taklif qildi: yorug'lik materiya bilan o'zaro ta'sir qilganda, u o'zini to'lqin kabi emas, balki korpuskula, kvant, energiya laxtasi kabi tutadi. Dastlabki tushunchalar allaqachon ma'lum edi - korpuskulyar nazariyani 17-asr o'rtalarida Nyuton taklif qilgan va elektromagnit to'lqin kvantlari tushunchasini vatandosh fizik Maks Plank kiritgan. Eynshteyn nazariya va tajriba haqidagi barcha bilimlarni birlashtira oldi. Uning fikricha, foton (yorug'lik kvanti) faqat bitta elektron bilan o'zaro ta'sirlashib, unga o'z energiyasini to'liq beradi. Agar bu energiya elektron va yadro oʻrtasidagi bogʻlanishni uzish uchun yetarli boʻlsa, zaryadlangan elementar zarracha atomdan ochilib, erkin holatga oʻtadi.
Teglangan koʻrishlarEynshteynga fotoeffekt formulasini yozishga imkon berdi. Buni keyingi xatboshida ko'rib chiqamiz.
Fotoelektr effekti va uning tenglamasi
Bu tenglama mashhur energiya-massa munosabatidan bir oz uzunroq. Bu shunday ko'rinadi:
hv=A + Ek.
Bu tenglama yoki Eynshteynning fotoeffekt formulasi jarayonda sodir boʻlayotgan voqealarning mohiyatini aks ettiradi: hv energiyaga ega boʻlgan foton (Plank doimiysi tebranish chastotasiga koʻpaytiriladi) elektron orasidagi bogʻlanishni uzish uchun sarflanadi. va yadro (A - elektronning ish funksiyasi) va kinetik energiyaning manfiy zarrachasini (Ek) uzatishda.
Yuqoridagi formula fotoelektrik effekt boʻyicha tajribalarda kuzatilgan barcha matematik bogʻliqliklarni tushuntirishga imkon berdi va koʻrib chiqilayotgan hodisa uchun tegishli qonunlarni shakllantirishga olib keldi.
Fotoelektrik effekt qayerda ishlatiladi?
Hozirda Eynshteynning yuqorida bayon etilgan gʻoyalari quyosh panellari yordamida yorugʻlik energiyasini elektr energiyasiga aylantirish uchun qoʻllanilmoqda.
Ular ichki fotoelektr effektidan foydalanadilar, ya'ni atomdan "tashqariga chiqarilgan" elektronlar materialni tark etmaydi, balki uning ichida qoladi. Faol modda n va p tipidagi kremniy yarimo'tkazgichlardir.
