آلبرت انیشتین احتمالا برای همه ساکنان سیاره ما شناخته شده است. به لطف فرمول معروف ارتباط بین جرم و انرژی شناخته شده است. با این حال، او جایزه نوبل را برای آن دریافت نکرد. در این مقاله، دو فرمول انیشتین را در نظر خواهیم گرفت که ایده‌های فیزیکی جهان پیرامون ما را در آغاز قرن بیستم تغییر داد.
سال پربار انیشتین
در سال 1905، انیشتین چندین مقاله به طور همزمان منتشر کرد که عمدتاً به دو موضوع می پرداخت: نظریه نسبیت که او توسعه داد و توضیح اثر فوتوالکتریک. این مطالب در مجله آلمانی Annalen der Physik منتشر شد. همین عناوین این دو مقاله باعث حیرت حلقه دانشمندان آن زمان شد:
- "آیا اینرسی جسم به انرژی موجود در آن بستگی دارد؟"؛
- "دیدگاه اکتشافی در مورد منشأ و تبدیل نور".
در اولین مورد، دانشمند به فرمول فعلی شناخته شده نظریه نسبیت انیشتین اشاره می کند که ترکیبی ازبرابری یکنواخت جرم و انرژی مقاله دوم معادله ای برای اثر فوتوالکتریک ارائه می دهد. هر دو فرمول در حال حاضر هم برای کار با مواد رادیواکتیو و هم برای تولید انرژی الکتریکی از امواج الکترومغناطیسی استفاده می‌شوند.
فرمول کوتاه نسبیت خاص
نظریه نسبیت که توسط انیشتین ایجاد شد، پدیده هایی را در نظر می گیرد که جرم اجسام و سرعت حرکت آنها بسیار زیاد است. در آن، انیشتین فرض می‌کند که حرکت سریع‌تر از نور در هر چارچوب مرجع غیرممکن است، و در سرعت‌های نزدیک به نور، ویژگی‌های فضا-زمان تغییر می‌کند، برای مثال، زمان شروع به کند شدن می‌کند.
درک نظریه نسبیت از دیدگاه منطقی دشوار است، زیرا با ایده های معمول در مورد حرکت، که قوانین آن توسط نیوتن در قرن هفدهم وضع شد، در تضاد است. با این حال، انیشتین از محاسبات پیچیده ریاضی فرمولی زیبا و ساده به دست آورد:
E=mc2.
این عبارت را فرمول انیشتین برای انرژی و جرم می نامند. بیایید بفهمیم معنی آن چیست.
مفاهیم جرم، انرژی و سرعت نور
برای درک بهتر فرمول آلبرت انیشتین، باید معنای هر نمادی را که در آن وجود دارد به تفصیل درک کنید.
بیایید با جرم شروع کنیم. اغلب می توانید بشنوید که این کمیت فیزیکی با مقدار ماده موجود در بدن مرتبط است. این کاملا درست نیست. درست تر است که جرم را به عنوان اندازه گیری اینرسی تعریف کنیم. هر چه بدن بزرگتر باشد، سخت‌تر می‌توان به آن اطمینان دادسرعت. جرم بر حسب کیلوگرم اندازه گیری می شود.
مساله انرژی نیز ساده نیست. بنابراین، انواع تظاهرات آن وجود دارد: نور و حرارت، بخار و الکتریکی، جنبشی و پتانسیل، پیوندهای شیمیایی. همه این انواع انرژی با یک ویژگی مهم متحد می شوند - توانایی آنها در انجام کار. به عبارت دیگر، انرژی کمیت فیزیکی است که قادر است اجسام را در مقابل عمل سایر نیروهای خارجی به حرکت درآورد. اندازه گیری SI ژول است.
سرعت نور تقریباً برای همه روشن است. به عنوان فاصله ای که یک موج الکترومغناطیسی در واحد زمان طی می کند درک می شود. برای خلاء، این مقدار ثابت است؛ در هر محیط واقعی دیگر، کاهش می یابد. سرعت نور بر حسب متر بر ثانیه اندازه گیری می شود.
معنای فرمول انیشتین
اگر به این فرمول ساده دقت کنید، می بینید که جرم از طریق یک ثابت (مربع سرعت نور) با انرژی مرتبط است. خود اینشتین توضیح داد که جرم و انرژی مظاهر یک چیز هستند. در این مورد، انتقال m به E و بازگشت امکان پذیر است.
قبل از ظهور نظریه انیشتین، دانشمندان معتقد بودند که قوانین بقای جرم و انرژی به طور جداگانه وجود دارد و برای هر فرآیندی که در سیستم های بسته رخ می دهد معتبر است. انیشتین نشان داد که اینطور نیست و این پدیده ها نه به طور جداگانه، بلکه با هم ادامه دارند.
یکی دیگر از ویژگی های فرمول انیشتین یا قانون هم ارزی جرم و انرژی، ضریب تناسب بین این کمیت ها است.یعنی c2. تقریباً برابر است با 1017 m2/s2. این مقدار عظیم نشان می دهد که حتی مقدار کمی از جرم دارای ذخایر عظیم انرژی است. به عنوان مثال، اگر از این فرمول پیروی کنید، تنها یک انگور خشک (کشمش) می تواند تمام نیازهای انرژی مسکو را در یک روز برآورده کند. از سوی دیگر، این عامل عظیم همچنین توضیح می‌دهد که چرا ما تغییرات جرمی را در طبیعت مشاهده نمی‌کنیم، زیرا برای مقادیر انرژی که استفاده می‌کنیم بسیار کوچک هستند.
تأثیر فرمول در سیر تاریخ قرن بیستم
به لطف دانش این فرمول، شخصی توانست بر انرژی اتمی تسلط پیدا کند که ذخایر عظیم آن با فرآیندهای ناپدید شدن جرم توضیح داده می شود. نمونه بارز آن شکافت هسته اورانیوم است. اگر جرم ایزوتوپ های نور تشکیل شده پس از این شکافت را با هم جمع کنیم، آنگاه معلوم می شود که جرم آن بسیار کمتر از جرم هسته اصلی است. جرم ناپدید شده به انرژی تبدیل می شود.
توانایی انسان در استفاده از انرژی اتمی منجر به ایجاد رآکتوری شد که در خدمت تامین برق برای جمعیت غیرنظامی شهرها و طراحی مرگبارترین سلاح در تمام تاریخ شناخته شده - بمب اتم است..
ظاهر اولین بمب اتمی در ایالات متحده، جنگ جهانی دوم علیه ژاپن را زودتر از موعد مقرر به پایان رساند (در سال 1945، ایالات متحده این بمب ها را بر روی دو شهر ژاپن انداخت)، و همچنین به عامل بازدارنده اصلی تبدیل شد. وقوع جنگ جهانی سوم.
خود اینشتین البته نمی توانستبرای پیش بینی چنین پیامدهای فرمولی که او کشف کرد. توجه داشته باشید که او در پروژه منهتن برای ساخت سلاح اتمی شرکت نکرد.
پدیده اثر فوتوالکتریک و توضیح آن
حالا اجازه دهید به این سؤال برویم که در اوایل دهه 1920 به آلبرت انیشتین جایزه نوبل اعطا شد.
پدیده اثر فوتوالکتریک، که در سال 1887 توسط هرتز کشف شد، شامل ظهور الکترون های آزاد در بالای سطح یک ماده خاص است، اگر با نور فرکانس های خاص تابش شود. توضیح این پدیده از دیدگاه تئوری موجی نور که در آغاز قرن بیستم تأسیس شد، ممکن نبود. بنابراین، مشخص نشد که چرا اثر فوتوالکتریک بدون تأخیر زمانی (کمتر از 1 ثانیه) مشاهده می‌شود، چرا پتانسیل کاهش سرعت به شدت منبع نور بستگی ندارد. انیشتین توضیح درخشانی داد.
دانشمند یک چیز ساده را پیشنهاد کرد: هنگامی که نور با ماده تعامل می کند، مانند یک موج نیست، بلکه مانند یک جسم، یک کوانتوم، یک لخته انرژی رفتار می کند. مفاهیم اولیه قبلاً شناخته شده بودند - نظریه جسمی توسط نیوتن در اواسط قرن هفدهم ارائه شد و مفهوم کوانتومای امواج الکترومغناطیسی توسط فیزیکدان هموطن ماکس پلانک معرفی شد. انیشتین توانست تمام دانش تئوری و آزمایش را گرد هم آورد. او معتقد بود که یک فوتون (کوانتوم نور) که تنها با یک الکترون برهمکنش دارد، به طور کامل به آن انرژی می دهد. اگر این انرژی به اندازه کافی بزرگ باشد که بتواند پیوند بین الکترون و هسته را بشکند، آنگاه ذره بنیادی باردار از اتم باز می شود و به حالت آزاد می رود.
بازدیدهای برچسب‌گذاری شدهبه انیشتین اجازه داد تا فرمول اثر فوتوالکتریک را بنویسد. ما آن را در پاراگراف بعدی بررسی خواهیم کرد.
اثر فوتوالکتریک و معادله آن
این معادله کمی طولانی تر از رابطه معروف انرژی-جرم است. به نظر می رسد:
hv=A + Ek.
این معادله یا فرمول انیشتین برای اثر فوتوالکتریک ماهیت آنچه را که در فرآیند اتفاق می افتد منعکس می کند: یک فوتون با انرژی hv (ثابت پلانک ضرب در فرکانس نوسان) صرف شکستن پیوند بین الکترون می شود. و هسته (A تابع کار الکترون است) و در ارتباط با یک ذره منفی انرژی جنبشی (Ek).
فرمول فوق توضیح تمام وابستگی های ریاضی مشاهده شده در آزمایشات بر روی اثر فوتوالکتریک را ممکن کرد و منجر به فرمول بندی قوانین مربوطه برای پدیده مورد بررسی شد.
اثر فوتوالکتریک کجا استفاده می شود؟
در حال حاضر، ایده های انیشتین که در بالا ذکر شد برای تبدیل انرژی نور به الکتریسیته به لطف پنل های خورشیدی استفاده می شود.
آنها از یک اثر فوتوالکتریک داخلی استفاده می کنند، یعنی الکترون های "بیرون کشیده" از اتم، ماده را ترک نمی کنند، بلکه در آن باقی می مانند. ماده فعال نیمه هادی های سیلیکونی نوع n و p است.
