Alberta Einsteina pozná snáď každý obyvateľ našej planéty. Je známy vďaka slávnemu vzorcu na spojenie hmoty a energie. Nobelovu cenu za to však nedostal. V tomto článku zvážime dva Einsteinove vzorce, ktoré zmenili fyzikálne predstavy o svete okolo nás na začiatku 20. storočia.
Einsteinov plodný rok
V roku 1905 Einstein publikoval niekoľko článkov naraz, ktoré sa zaoberali najmä dvoma témami: teóriou relativity, ktorú vyvinul, a vysvetlením fotoelektrického javu. Materiály boli publikované v nemeckom časopise Annalen der Physik. Už samotné názvy týchto dvoch článkov vyvolali v kruhu vtedajších vedcov zmätok:
- "Závisí zotrvačnosť tela od energie, ktorú obsahuje?";
- "Heuristický pohľad na vznik a premenu svetla".
V prvej cituje vedec v súčasnosti známy vzorec Einsteinovej teórie relativity, ktorý spájarovnomerná rovnosť hmotnosti a energie. Druhý článok poskytuje rovnicu pre fotoelektrický jav. Oba vzorce sa v súčasnosti používajú na prácu s rádioaktívnou hmotou a na generovanie elektrickej energie z elektromagnetických vĺn.
Krátky vzorec špeciálnej teórie relativity
Teória relativity vyvinutá Einsteinom uvažuje o javoch, keď sú masy objektov a ich rýchlosti pohybu obrovské. Einstein v ňom predpokladá, že je nemožné pohybovať sa rýchlejšie ako svetlo v akomkoľvek referenčnom rámci a že pri rýchlostiach blízkych svetlu sa vlastnosti časopriestoru menia, napríklad čas sa začína spomaľovať.
Teória relativity je z logického hľadiska ťažko pochopiteľná, pretože odporuje zaužívaným predstavám o pohybe, ktorých zákony stanovil Newton v 17. storočí. Einstein však prišiel s elegantným a jednoduchým vzorcom z komplexných matematických výpočtov:
E=mc2.
Tento výraz sa nazýva Einsteinov vzorec pre energiu a hmotnosť. Poďme zistiť, čo to znamená.
Pojmy hmoty, energie a rýchlosti svetla
Aby ste lepšie pochopili vzorec Alberta Einsteina, mali by ste podrobne pochopiť význam každého symbolu, ktorý je v ňom prítomný.
Začnime s omšou. Často môžete počuť, že táto fyzikálna veličina súvisí s množstvom hmoty obsiahnutej v tele. Nie je to celkom pravda. Správnejšie je definovať hmotnosť ako mieru zotrvačnosti. Čím väčšie je telo, tým ťažšie je dať mu istoturýchlosť. Hmotnosť sa meria v kilogramoch.
Otázka energie tiež nie je jednoduchá. Existujú teda rôzne jeho prejavy: svetelné a tepelné, parné a elektrické, kinetické a potenciálne, chemické väzby. Všetky tieto druhy energie spája jedna dôležitá vlastnosť – ich schopnosť vykonávať prácu. Inými slovami, energia je fyzikálna veličina, ktorá je schopná pohybovať telesami proti pôsobeniu iných vonkajších síl. Miera SI je joule.
Aká je rýchlosť svetla je asi každému jasné. Rozumie sa ako vzdialenosť, ktorú prejde elektromagnetická vlna za jednotku času. Pre vákuum je táto hodnota konštantná, v akomkoľvek inom skutočnom médiu klesá. Rýchlosť svetla sa meria v metroch za sekundu.
Význam Einsteinovho vzorca
Ak sa pozriete pozorne na tento jednoduchý vzorec, môžete vidieť, že hmotnosť súvisí s energiou prostredníctvom konštanty (druhej mocniny rýchlosti svetla). Sám Einstein vysvetlil, že hmotnosť a energia sú prejavy toho istého. V tomto prípade sú možné prechody m na E a späť.
Pred príchodom Einsteinovej teórie vedci verili, že zákony zachovania hmoty a energie existujú oddelene a platia pre všetky procesy prebiehajúce v uzavretých systémoch. Einstein ukázal, že to tak nie je a tieto javy pretrvávajú nie oddelene, ale spoločne.
Ďalším znakom Einsteinovho vzorca alebo zákona ekvivalencie hmotnosti a energie je koeficient úmernosti medzi týmito veličinami,tj c2. Približne sa rovná 1017 m2/s2. Táto obrovská hodnota naznačuje, že aj malé množstvo hmoty obsahuje obrovské zásoby energie. Napríklad, ak budete postupovať podľa tohto vzorca, potom len jedno sušené hrozno (hrozienka) dokáže uspokojiť všetky energetické potreby Moskvy za jeden deň. Na druhej strane tento obrovský faktor tiež vysvetľuje, prečo nepozorujeme hromadné zmeny v prírode, pretože sú príliš malé na energetické hodnoty, ktoré používame.
Vplyv vzorca na priebeh dejín 20. storočia
Vďaka znalosti tohto vzorca si človek osvojil atómovú energiu, ktorej obrovské zásoby sa vysvetľujú procesmi miznutia hmoty. Pozoruhodným príkladom je štiepenie jadra uránu. Ak spočítame hmotnosť svetelných izotopov vytvorených po tomto štiepení, potom vyjde oveľa menej ako v prípade pôvodného jadra. Zmiznutá hmota sa mení na energiu.
Ľudská schopnosť využívať atómovú energiu viedla k vytvoreniu reaktora, ktorý slúži na zásobovanie elektrinou civilnému obyvateľstvu miest, ak návrhu najsmrteľnejšej zbrane v celej známej histórii – atómovej bomby.
Výskyt prvej atómovej bomby v Spojených štátoch ukončil druhú svetovú vojnu proti Japonsku v predstihu (v roku 1945 Spojené štáty zhodili tieto bomby na dve japonské mestá) a stal sa tiež hlavným odstrašujúcim prostriedkom vypuknutie tretej svetovej vojny.
Samotný Einstein, samozrejme, nemoholpredvídať také dôsledky vzorca, ktorý objavil. Všimnite si, že sa nezúčastnil na projekte Manhattan na vytvorenie atómových zbraní.
Fenomén fotoelektrického javu a jeho vysvetlenie
Prejdime teraz k otázke, za ktorú bol Albert Einstein začiatkom 20. rokov 20. storočia ocenený Nobelovou cenou.
Fenoelektrický jav, ktorý objavil v roku 1887 Hertz, spočíva vo výskyte voľných elektrónov nad povrchom určitého materiálu, ak je ožiarený svetlom určitých frekvencií. Tento jav nebolo možné vysvetliť z pohľadu vlnovej teórie svetla, ktorá vznikla začiatkom 20. storočia. Nebolo teda jasné, prečo je fotoelektrický jav pozorovaný bez časového oneskorenia (menej ako 1 ns), prečo spomaľovací potenciál nezávisí od intenzity svetelného zdroja. Einstein podal skvelé vysvetlenie.
Vedec navrhol jednoduchú vec: keď svetlo interaguje s hmotou, nechová sa ako vlna, ale ako teliesko, kvantum, zrazenina energie. Počiatočné koncepty už boli známe – korpuskulárnu teóriu navrhol Newton v polovici 17. storočia a koncept kvánt elektromagnetických vĺn zaviedol krajanský fyzik Max Planck. Einstein dokázal spojiť všetky poznatky teórie a experimentu. Veril, že fotón (kvantum svetla), ktorý interaguje iba s jedným elektrónom, mu úplne dáva svoju energiu. Ak je táto energia dostatočne veľká na to, aby prerušila väzbu medzi elektrónom a jadrom, potom sa nabitá elementárna častica otvorí z atómu a prejde do voľného stavu.
Označené zobrazeniaumožnil Einsteinovi zapísať vzorec pre fotoelektrický jav. Budeme to zvážiť v nasledujúcom odseku.
Fotoelektrický efekt a jeho rovnica
Táto rovnica je o niečo dlhšia ako známy vzťah energie a hmotnosti. Vyzerá to takto:
hv=A + Ek.
Táto rovnica alebo Einsteinov vzorec pre fotoelektrický jav odráža podstatu toho, čo sa deje v procese: fotón s energiou hv (Planckova konštanta vynásobená frekvenciou oscilácií) sa vynaloží na prerušenie väzby medzi elektrónom a jadro (A je pracovná funkcia elektrónu) a na prenos negatívnej častice kinetickej energie (Ek).
Vyššie uvedený vzorec umožnil vysvetliť všetky matematické závislosti pozorované v experimentoch na fotoelektrickom jave a viedol k formulácii zodpovedajúcich zákonov pre uvažovaný jav.
Kde sa používa fotoelektrický efekt?
V súčasnosti sa Einsteinove myšlienky načrtnuté vyššie používajú na premenu svetelnej energie na elektrickú energiu vďaka solárnym panelom.
Využívajú vnútorný fotoelektrický efekt, to znamená, že elektróny „vytiahnuté“z atómu neopúšťajú materiál, ale zostávajú v ňom. Účinnou látkou sú kremíkové polovodiče typu n a p.
