Формула Ейнштейна для фотоефекту. Формула Ейнштейна для енергії

Альберт Ейнштейн, мабуть, відомий кожному жителю нашої планети. Знають його завдяки знаменитій формулі зв’язку маси і енергії. Тим не менш Нобелівську премію він отримав не за неї. У цій статті розглянемо дві формули Ейнштейна, які перевернули фізичні уявлення про навколишній нас світі на початку XX століття.

Плідний рік Ейнштейна

У 1905 році Ейнштейн опублікував декілька статей, які головним чином стосувалися двох тематик: розробленої ним теорії відносності і пояснення явища фотоефекту. Матеріали були опубліковані в німецькому журналі Annalen der Physik. Вже самі назви цих двох статей викликали подив у колі вчених на той момент:

  • «Залежить інерція тіла від міститься в ньому енергії?»;
  • «Евристична точка зору про виникнення і перетворення світу».

У першій вчений наводить відому нині всьому формулу теорії відносності Ейнштейна, яка об’єднує в єдине рівність масу і енергію. У другій статті наводиться рівняння фотоефекту. Обидві формули використовуються в даний час для роботи з радіоактивною матерією, так і для генерації електричної енергії з електромагнітних хвиль.

Загрузка...

Коротка формула спеціальної теорії відносності

Розроблена Ейнштейном теорії відносності розглядає явища, коли маси об’єктів і їх швидкості переміщення є величезними. В ній Ейнштейн постулює, що швидше світла не можна рухатися ні в одній системі відліку, і що при близькосвітлових швидкостей відбувається зміна властивостей простору-часу, наприклад, час починає сповільнюватися.

Теорію відносності важко зрозуміти з логічної точки зору, оскільки вона суперечить звичайним уявленням про рух, закони якого встановив Ньютон в XVII столітті. Тим не менш, Ейнштейн зі складних математичних розрахунків прийшов до елегантної і простою формулою:

E = m*c2.

Це вираз отримав назву формули Ейнштейна для енергії і маси. Розберемося, що воно означає.

Поняття про масу, про енергії і швидкості світла

Щоб краще зрозуміти формулу Альберта Ейнштейна, слід детально розібратися зі значенням кожного символа, який в ньому присутній.

Дивіться також:  Форми ДНК, структура і синтез

Почнемо з маси. Можна часто чути, що ця фізична величина пов’язана з кількістю, що міститься в тілі речовини. Це не зовсім так. Більш правильно масу визначати як міру інерції. Чим більше тіло, тим важче надати йому певну швидкість. Маса вимірюється в кілограмах.

Питання енергії теж не є простим. Так, існують найрізноманітніші її прояви: світлова та теплова, парова й електрична, кінетична і потенційна, хімічних зв’язків. Всі ці види енергії об’єднує одна важлива властивість — їх здатність здійснювати роботу. Іншими словами енергія — це фізична величина, яка здатна переміщати тіла проти дії інших зовнішніх сил. Заходом у системі СІ є джоуль.

Що таке швидкість світла, приблизно зрозуміло кожному. Під нею розуміють відстань, що електромагнітна хвиля проходить за одиницю часу. Для вакууму ця величина є константою, в будь-який інший речовинної середовищі вона зменшується. Швидкість світла вимірюється в метрах за секунду.

Сенс формули Ейнштейна

Якщо уважно подивитися на цю просту формулу, то можна побачити, що маса пов’язана з енергією через константу (квадрат швидкості світла). Сам Ейнштейн пояснював, що маса і енергія є проявом однієї і тієї ж речі. При цьому переходи m E і назад виявляються можливими.

До появи теорії Ейнштейна вчені вважали, що закони збереження маси і енергії існують окремо і справедливі для будь-яких процесів, що відбуваються в замкнутих системах. Ейнштейн показав, що це не так, і зберігаються ці явища не окремо, а разом.

Іншою особливістю формули Ейнштейна або закону еквівалентності маси і енергії є коефіцієнт пропорційності між цими величинами, тобто c2. Він дорівнює приблизно 1017 м2/с2. Ця величезна величина говорить про те, що навіть невелика кількість маси містить у собі величезні запаси енергії. Наприклад, якщо слідувати цій формулі, то всього одна сушена ягода винограду (ізюму) може задовольнити усі енергетичні потреби Москви протягом одного дня. З іншого боку, цей величезний коефіцієнт також пояснює, чому в природі ми не спостерігаємо зміни маси, адже вони занадто малі для використовуваних нами значень енергії.

Дивіться також:  Радієвий інститут імені Хлопіна

Вплив формули на хід історії XX століття

Завдяки знанню цієї формули людина змогла оволодіти атомною енергією, величезні запаси якої пояснюються процесами зникнення маси. Яскравим прикладом є поділ ядра урану. Якщо скласти масу утворилися після цього поділу легких ізотопів, то вона виявиться набагато менше такої для вихідного ядра. Зникла маса переходить в енергію.

Людська здатність використовувати атомну енергію призвела до створення реактора, який служить для забезпечення електрикою мирного населення міст, і до конструювання самої смертоносної зброї за всю відому історію — атомної бомби.

Поява першої атомної бомби в США достроково завершив Другу світову війну проти Японії (1945 року США скинули на два японських міста ці бомби), а також стала основним стримуючим фактором для виникнення Третьої світової війни.

Сам Ейнштейн, звичайно, не зміг передбачити таких наслідків відкритої ним формули. Відзначимо, що в проекті «Манхеттен» по створенню атомної зброї він участі не брав.

Явище фотоефекту і його пояснення

Тепер перейдемо до розгляду питання, відповідь на який Альберт Ейнштейн був удостоєний Нобелівської премії в початку 20-х років XX століття.

Явище фотоефекту, відкритий в 1887 році Герцем, полягає в появі вільних електронів над поверхнею деякого матеріалу, якщо її опромінювати світлом певних частот. Пояснити це явище з точки зору хвильової теорії світла, затвердилася на початок XX століття, не вдавалося. Так, було неясно, чому фотоефект спостерігається без тимчасової затримки (менше 1 нс), чому гальмівним потенціал не залежить від інтенсивності світла. Блискуче пояснення дав Ейнштейн.

Вчений припустив просту річ: світло при взаємодії з речовиною, веде себе не як хвиля, а як корпускула, квант, згусток енергії. Вихідні поняття вже були відомі — корпускулярну теорію запропонував ще Ньютон в середині XVII століття, а поняття про квантах електромагнітних хвиль ввів співвітчизник фізика Макс Планк. Ейнштейн ж зміг зібрати воєдино всі знання теорії і експерименту. Він вважав, що фотон (квант світла), взаємодіючи всього з одним електроном, повністю віддає йому свою енергію. Якщо ця енергія досить велика, щоб розірвати зв’язок між електроном і ядром, тоді заряджена елементарна частинка відкривається від атома і переходить у вільний стан.

Дивіться також:  Коли відзначають Міжнародний день охорони озонового шару землі?

Зазначені подання дозволили записати формулу Ейнштейна для фотоефекту. Розглянемо її в наступному пункті.

Фотоефект та рівняння для нього

Це рівняння трохи довше, ніж знаменита зв’язок енергії і маси. Воно має наступний вигляд:

h*v = A + Ek.

Це рівняння або формула Ейнштейна для фотоефекту відображає суть того, що відбувається в процесу: фотон з енергією h*v (постійна Планка помножена на частоту коливань) витрачається на розрив зв’язку електрона і ядра (A — робота виходу електрона) і на повідомлення заперечній частці кінетичної енергії (Ек).

Наведена формула дозволила пояснити все що спостерігаються в експериментах по фотоэффекту математичні залежності та призвела до формулювання відповідних законів для розглянутого явища.

Де використовується фотоефект?

В даний час ідеї Ейнштейна, викладені вище, застосовуються для перетворення світлової енергії в електрику завдяки сонячним батареям.

У них використовується внутрішній фотоефект, тобто «вирвані» з атома електрони не залишають матеріал, а залишаються в ньому. В якості активної речовини використовуються кремнієві напівпровідники n — і p-типу.

Загрузка...

Дивіться також: