Ալբերտ Էյնշտեյնը հավանաբար հայտնի է մեր մոլորակի յուրաքանչյուր բնակչի: Այն հայտնի է զանգվածի և էներգիայի կապի հայտնի բանաձեւի շնորհիվ։ Սակայն դրա համար նա Նոբելյան մրցանակ չստացավ։ Այս հոդվածում մենք կքննարկենք Էյնշտեյնի երկու բանաձևեր, որոնք 20-րդ դարի սկզբին շրջեցին մեզ շրջապատող աշխարհի մասին ֆիզիկական պատկերացումները:
Էյնշտեյնի բեղմնավոր տարի
1905 թվականին Էյնշտեյնը հրապարակեց միանգամից մի քանի հոդված, որոնք հիմնականում վերաբերում էին երկու թեմայի՝ նրա մշակած հարաբերականության տեսությանը և ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի բացատրությանը։ Նյութերը հրապարակվել են գերմանական Annalen der Physik ամսագրում։ Այս երկու հոդվածների հենց վերնագրերը տարակուսանք առաջացրեցին այն ժամանակվա գիտնականների շրջապատում.
- «Արդյո՞ք մարմնի իներցիան կախված է նրա պարունակած էներգիայից»:;
- «Լույսի ծագման և փոխակերպման էվրիստիկ տեսակետ».
Առաջինում գիտնականը մեջբերում է Էյնշտեյնի հարաբերականության տեսության ներկայումս հայտնի բանաձևը, որը միավորում է.զանգվածի և էներգիայի միատեսակ հավասարություն. Երկրորդ հոդվածը տալիս է ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի հավասարումը: Երկու բանաձևերն էլ ներկայումս օգտագործվում են ռադիոակտիվ նյութերի հետ աշխատելու և էլեկտրամագնիսական ալիքներից էլեկտրական էներգիա արտադրելու համար:
Հատուկ հարաբերականության համառոտ բանաձև
Էյնշտեյնի կողմից մշակված հարաբերականության տեսությունը դիտարկում է այն երևույթները, երբ առարկաների զանգվածները և նրանց շարժման արագությունը հսկայական են: Դրանում Էյնշտեյնը պնդում է, որ անհնար է լույսից ավելի արագ շարժվել ցանկացած հղման համակարգում, և որ մոտ լույսի արագության դեպքում տարածություն-ժամանակի հատկությունները փոխվում են, օրինակ՝ ժամանակը սկսում է դանդաղել:
Հարաբերականության տեսությունը դժվար է հասկանալ տրամաբանական տեսանկյունից, քանի որ այն հակասում է շարժման մասին սովորական պատկերացումներին, որոնց օրենքները սահմանել է Նյուտոնը 17-րդ դարում։ Այնուամենայնիվ, Էյնշտեյնը բարդ մաթեմատիկական հաշվարկներից ստացավ էլեգանտ և պարզ բանաձև՝
E=mc2.
Այս արտահայտությունը կոչվում է Էյնշտեյնի էներգիայի և զանգվածի բանաձև: Եկեք հասկանանք, թե դա ինչ է նշանակում։
Զանգվածի, էներգիայի և լույսի արագության հասկացությունները
Ալբերտ Էյնշտեյնի բանաձևը ավելի լավ հասկանալու համար դուք պետք է մանրամասնորեն հասկանաք դրանում առկա յուրաքանչյուր նշանի նշանակությունը:
Սկսենք զանգվածից։ Հաճախ կարող եք լսել, որ այս ֆիզիկական մեծությունը կապված է մարմնում պարունակվող նյութի քանակի հետ։ Սա լիովին ճիշտ չէ: Ավելի ճիշտ է զանգվածը սահմանել որպես իներցիայի չափանիշ։ Որքան մեծ է մարմինը, այնքան ավելի դժվար է դրան որոշակիություն տալըարագություն. Զանգվածը չափվում է կիլոգրամներով։
Էներգետիկայի հարցը նույնպես պարզ չէ. Այսպիսով, կան դրա դրսևորումների բազմազանությունը՝ լուսային և ջերմային, գոլորշու և էլեկտրական, կինետիկ և պոտենցիալ, քիմիական կապեր: Էներգիայի այս բոլոր տեսակները միավորված են մեկ կարևոր հատկությամբ՝ աշխատանք անելու նրանց կարողությամբ։ Այլ կերպ ասած, էներգիան ֆիզիկական մեծություն է, որն ունակ է մարմինները շարժել այլ արտաքին ուժերի գործողության դեմ։ SI չափումը ջոուլն է։
Որքա՞ն է լույսի արագությունը, մոտավորապես բոլորի համար պարզ է։ Այն հասկացվում է որպես էլեկտրամագնիսական ալիքի անցած հեռավորությունը ժամանակի միավորի համար: Վակուումի համար այս արժեքը հաստատուն է, ցանկացած այլ իրական միջավայրում այն նվազում է: Լույսի արագությունը չափվում է վայրկյանում մետրերով։
Էյնշտեյնի բանաձևի նշանակությունը
Եթե ուշադիր նայեք այս պարզ բանաձևին, կարող եք տեսնել, որ զանգվածը կապված է էներգիայի հետ հաստատունի միջոցով (լույսի արագության քառակուսին): Ինքը՝ Էյնշտեյնը, բացատրեց, որ զանգվածը և էներգիան նույն բանի դրսևորումներ են։ Այս դեպքում հնարավոր են անցումներ m դեպի E և հետադարձ:
Մինչ Էյնշտեյնի տեսության հայտնվելը, գիտնականները կարծում էին, որ զանգվածի և էներգիայի պահպանման օրենքները գոյություն ունեն առանձին և վավեր են փակ համակարգերում տեղի ունեցող ցանկացած գործընթացի համար: Էյնշտեյնը ցույց տվեց, որ դա այդպես չէ, և այս երևույթները պահպանվում են ոչ թե առանձին, այլ միասին։
Էյնշտեյնի բանաձևի կամ զանգվածի և էներգիայի համարժեքության օրենքի մեկ այլ հատկանիշ այս մեծությունների միջև համաչափության գործակիցն է,այսինքն՝ c2: Այն մոտավորապես հավասար է 1017 m2/s2: Այս հսկայական արժեքը հուշում է, որ նույնիսկ փոքր քանակությամբ զանգվածը պարունակում է էներգիայի հսկայական պաշարներ։ Օրինակ, եթե հետևեք այս բանաձևին, ապա ընդամենը մեկ չորացրած խաղողը (չամիչը) կարող է մեկ օրում բավարարել Մոսկվայի բոլոր էներգետիկ կարիքները։ Մյուս կողմից, այս հսկայական գործոնը նաև բացատրում է, թե ինչու մենք բնության մեջ զանգվածային փոփոխություններ չենք նկատում, քանի որ դրանք չափազանց փոքր են մեր օգտագործած էներգիայի արժեքների համար:
Բանաձևի ազդեցությունը 20-րդ դարի պատմության ընթացքի վրա
Այս բանաձեւի իմացության շնորհիվ մարդը կարողացավ յուրացնել ատոմային էներգիան, որի հսկայական պաշարները բացատրվում են զանգվածի անհետացման գործընթացներով։ Վառ օրինակ է ուրանի միջուկի տրոհումը։ Եթե մենք գումարենք լույսի իզոտոպների զանգվածը, որը ձևավորվել է այս տրոհումից հետո, ապա այն շատ ավելի քիչ կլինի, քան սկզբնական միջուկը: Անհետացած զանգվածը վերածվում է էներգիայի։
Ատոմային էներգիան օգտագործելու մարդու կարողությունը հանգեցրեց ռեակտորի ստեղծմանը, որը ծառայում է էլեկտրաէներգիա ապահովելու քաղաքների խաղաղ բնակչությանը և նախագծել ամբողջ հայտնի պատմության մեջ ամենամահաբեր զենքը՝ ատոմային ռումբը::
Առաջին ատոմային ռումբի հայտնվելը Միացյալ Նահանգներում ժամանակից շուտ ավարտեց Երկրորդ համաշխարհային պատերազմը Ճապոնիայի դեմ (1945 թվականին ԱՄՆ-ը այդ ռումբերը նետեց ճապոնական երկու քաղաքների վրա), ինչպես նաև դարձավ հիմնական զսպիչ գործոնը: Երրորդ համաշխարհային պատերազմի բռնկում։
Ինքը՝ Էյնշտեյնը, իհարկե, չէր կարողկանխատեսել իր հայտնաբերած բանաձեւի նման հետեւանքները։ Նշենք, որ նա չի մասնակցել ատոմային զենք ստեղծելու Մանհեթենի նախագծին։
Ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի երևույթը և դրա բացատրությունը
Այժմ անցնենք այն հարցին, թե ինչի համար է Ալբերտ Էյնշտեյնը արժանացել Նոբելյան մրցանակի 1920-ականների սկզբին:
Ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի ֆենոմենը, որը հայտնաբերվել է 1887 թվականին Հերցի կողմից, բաղկացած է որոշակի նյութի մակերեսի վերևում ազատ էլեկտրոնների հայտնվելուց, եթե այն ճառագայթվում է որոշակի հաճախականությունների լույսով։ Այս երեւույթը հնարավոր չեղավ բացատրել լույսի ալիքային տեսության տեսանկյունից, որը հաստատվել էր 20-րդ դարի սկզբին։ Այսպիսով, պարզ չէր, թե ինչու է ֆոտոէլեկտրական էֆեկտը դիտվում առանց ժամանակի ուշացման (1 վս-ից պակաս), ինչու դանդաղեցման պոտենցիալը կախված չէ լույսի աղբյուրի ինտենսիվությունից։ Էյնշտեյնը փայլուն բացատրություն է տվել։
Գիտնականն առաջարկել է մի պարզ բան. երբ լույսը փոխազդում է նյութի հետ, այն իրեն պահում է ոչ թե ալիքի, այլ մարմնի, քվանտի, էներգիայի թրոմբի պես: Նախնական հասկացություններն արդեն հայտնի էին. կորպուսկուլյար տեսությունը առաջարկվել է Նյուտոնի կողմից 17-րդ դարի կեսերին, իսկ էլեկտրամագնիսական ալիքային քվանտա հասկացությունը ներմուծել է հայրենակից ֆիզիկոս Մաքս Պլանքը: Էյնշտեյնը կարողացավ ի մի բերել տեսության և փորձի ողջ գիտելիքները: Նա կարծում էր, որ ֆոտոնը (լույսի քվանտը), փոխազդելով ընդամենը մեկ էլեկտրոնի հետ, ամբողջությամբ տալիս է իր էներգիան։ Եթե այս էներգիան բավականաչափ մեծ է էլեկտրոնի և միջուկի միջև կապը խզելու համար, ապա լիցքավորված տարրական մասնիկը բացվում է ատոմից և անցնում ազատ վիճակի։
Պիտակված դիտումներԱյնշտայնին թույլ տվեց գրել ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի բանաձևը։ Մենք դա կքննարկենք հաջորդ պարբերությունում։
Ֆոտոէլեկտրական էֆեկտը և դրա հավասարումը
Այս հավասարումը մի փոքր ավելի երկար է, քան հայտնի էներգիա-զանգված կապը: Կարծես հետևյալն է՝
hv=A + Ek.
Այս հավասարումը կամ ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի Էյնշտեյնի բանաձևը արտացոլում է գործընթացում տեղի ունեցողի էությունը. hv էներգիայով ֆոտոնը (Պլանկի հաստատունը բազմապատկած տատանումների հաճախականությամբ) ծախսվում է էլեկտրոնի միջև կապը խզելու վրա։ և միջուկը (A-ն էլեկտրոնի աշխատանքային ֆունկցիան է) և կինետիկ էներգիայի բացասական մասնիկի հաղորդման վրա (Ek):
Վերոնշյալ բանաձևը թույլ տվեց բացատրել ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի վրա փորձարկումներում նկատված բոլոր մաթեմատիկական կախվածությունները և հանգեցրեց դիտարկվող երևույթի համապատասխան օրենքների ձևակերպմանը:
Որտե՞ղ է օգտագործվում ֆոտոէլեկտրական էֆեկտը:
Ներկայումս Էյնշտեյնի վերը նկարագրված գաղափարները կիրառվում են արևային մարտկոցների շնորհիվ լույսի էներգիան էլեկտրականության վերածելու համար:
Նրանք օգտագործում են ներքին ֆոտոէլեկտրական էֆեկտ, այսինքն՝ ատոմից «դուրս բերված» էլեկտրոնները չեն հեռանում նյութից, այլ մնում են դրա մեջ։ Ակտիվ նյութը n- և p-տիպի սիլիցիումի կիսահաղորդիչներն են:
