Альберт Эйнштейнийг манай гаригийн оршин суугч бүр мэддэг байх. Энэ нь масс ба энергийн хоорондын холболтын алдартай томъёоны ачаар мэдэгдэж байна. Гэсэн хэдий ч тэр үүгээрээ Нобелийн шагнал авч чадаагүй. Энэ нийтлэлд бид 20-р зууны эхэн үед бидний эргэн тойрон дахь ертөнцийн талаарх физик санааг өөрчилсөн Эйнштейний хоёр томьёог авч үзэх болно.
Эйнштейний үр бүтээлтэй жил
1905 онд Эйнштейн хэд хэдэн нийтлэлийг нэгэн зэрэг нийтэлсэн бөгөөд эдгээр нийтлэлүүд нь өөрийн боловсруулсан харьцангуйн онол ба фотоэлектрик эффектийн тайлбар гэсэн хоёр сэдвийг голчлон хөндсөн. Материалуудыг Германы Annalen der Physik сэтгүүлд нийтэлсэн байна. Эдгээр хоёр нийтлэлийн гарчиг нь тухайн үеийн эрдэмтдийн дунд эргэлзээ төрүүлж байсан:
- "Биеийн инерци нь түүнд агуулагдах энергиэс хамаардаг уу?";
- "Гэрлийн үүсэл ба хувирлын талаархи эвристик үзэл бодол".
Эхний хэсэгт эрдэмтэн Эйнштейний харьцангуйн онолын одоо мэдэгдэж байгаа томьёог иш татсан бөгөөд энэ ньмасс ба энергийн жигд тэгш байдал. Хоёрдахь өгүүлэлд фотоэлектрик эффектийн тэгшитгэлийг өгсөн болно. Энэ хоёр томъёог одоогоор цацраг идэвхт бодистой ажиллах болон цахилгаан соронзон долгионоос цахилгаан энерги үүсгэхэд ашиглаж байна.
Тусгай харьцангуйн онолын товч томьёо
Эйнштейний боловсруулсан харьцангуйн онол нь биетүүдийн масс болон хөдөлгөөний хурд нь асар их байх үед тохиолддог үзэгдлийг авч үздэг. Үүнд Эйнштейн ямар ч жишиг хүрээн дэх гэрлээс илүү хурдан хөдлөх боломжгүй, гэрлийн ойролцоо хурдтай үед орон зай-цаг хугацааны шинж чанар өөрчлөгддөг, тухайлбал, цаг удааширч эхэлдэг гэж үздэг.
Харьцангуйн онол нь 17-р зуунд Ньютоны хуулиудыг бий болгосон хөдөлгөөний тухай ердийн санаатай зөрчилддөг тул логик талаас нь ойлгоход хэцүү байдаг. Гэсэн хэдий ч Эйнштейн нарийн төвөгтэй математик тооцооллоос гоёмсог бөгөөд энгийн томъёог гаргаж ирэв:
E=mc2.
Энэ илэрхийллийг Эйнштейний энерги ба массын томъёо гэж нэрлэдэг. Энэ нь юу гэсэн үг болохыг олж мэдье.
Масс, энерги, гэрлийн хурдны тухай ойлголт
Альберт Эйнштейний томъёог илүү сайн ойлгохын тулд түүнд байгаа тэмдэг бүрийн утгыг нарийвчлан ойлгох хэрэгтэй.
Массаас эхэлцгээе. Энэ физик хэмжигдэхүүн нь биед агуулагдах бодисын хэмжээтэй холбоотой гэдгийг та олонтаа сонсож болно. Энэ нь бүхэлдээ үнэн биш юм. Массыг инерцийн хэмжүүр гэж тодорхойлох нь илүү зөв юм. Биеийн хэмжээ том байх тусам түүнд тодорхой зүйлийг өгөхөд хэцүү байдагхурд. Массыг килограммаар хэмждэг.
Эрчим хүчний асуудал бас энгийн биш. Тиймээс түүний олон янзын илрэлүүд байдаг: гэрэл ба дулааны, уур ба цахилгаан, кинетик ба потенциал, химийн холбоо. Эдгээр бүх төрлийн эрчим хүчийг нэг чухал шинж чанараар нэгтгэдэг - тэдний ажил хийх чадвар. Өөрөөр хэлбэл, энерги нь биеийг бусад гадны хүчний үйл ажиллагааны эсрэг хөдөлгөх чадвартай физик хэмжигдэхүүн юм. SI хэмжүүр нь жоуль юм.
Гэрлийн хурд ямар байх нь ойролцоогоор хүн бүрт ойлгомжтой. Энэ нь цахилгаан соронзон долгионы цаг хугацааны нэгжид өнгөрөх зай гэж ойлгогддог. Вакуумын хувьд энэ утга тогтмол бөгөөд бусад бодит орчинд буурдаг. Гэрлийн хурдыг секундэд метрээр хэмждэг.
Эйнштейний томьёоны утга
Хэрэв та энэ энгийн томьёог сайтар ажиглавал масс нь тогтмол хэмжигдэхүүнээр (гэрлийн хурдны квадрат) энергитэй холбоотой болохыг харж болно. Масс ба энерги нь нэг зүйлийн илрэл гэж Эйнштейн өөрөө тайлбарласан. Энэ тохиолдолд m руу E болон буцах шилжилт хийх боломжтой.
Эйнштейний онол гарч ирэхээс өмнө эрдэмтэд масс болон энергийн хадгалалтын хуулиуд нь тусдаа байдаг бөгөөд хаалттай системд явагдах аливаа процесст хүчинтэй гэж үздэг. Ийм биш гэдгийг Эйнштейн харуулсан бөгөөд эдгээр үзэгдлүүд тус тусад нь биш, хамтдаа үргэлжилдэг.
Эйнштейний томьёо буюу масс ба энергийн эквивалент хуулийн өөр нэг онцлог нь эдгээр хэмжигдэхүүнүүдийн хоорондын пропорциональ коэффициент юм.өөрөөр хэлбэл c2. Энэ нь ойролцоогоор 1017 m2/s2-тай тэнцүү байна. Энэхүү асар их үнэ цэнэ нь бага хэмжээний масс ч гэсэн асар их энергийн нөөцтэй болохыг харуулж байна. Жишээлбэл, хэрэв та энэ томъёог дагаж мөрдвөл ганц хатаасан усан үзэм (үзэм) нь Москвагийн бүх эрчим хүчний хэрэгцээг нэг өдрийн дотор хангаж чадна. Нөгөөтэйгүүр, энэ асар том хүчин зүйл нь бидний ашигладаг эрчим хүчний үнэ цэнэд хэтэрхий бага байдаг тул байгальд их хэмжээний өөрчлөлт ажиглагддаггүйг тайлбарладаг.
20-р зууны түүхийн явцад томьёоны нөлөө
Энэ томьёоны мэдлэгийн ачаар хүн атомын энергийг эзэмшиж чадсан бөгөөд түүний асар их нөөц нь масс алга болох процессоор тайлбарлагддаг. Үүний тод жишээ бол ураны цөмийн хуваагдал юм. Хэрэв бид энэ хуваагдлын дараа үүссэн гэрлийн изотопуудын массыг нэмбэл анхны цөмийнхөөс хамаагүй бага байх болно. Алга болсон масс нь энерги болж хувирдаг.
Хүний атомын энергийг ашиглах чадвар нь хотуудын энгийн иргэдийг цахилгаан эрчим хүчээр хангах реакторыг бий болгож, түүхэн дэх хамгийн үхлийн зэвсэг болох атомын бөмбөгийг бүтээхэд хүргэсэн.
АНУ-д анхны атомын бөмбөг гарч ирсэн нь Японы эсрэг дэлхийн 2-р дайныг хугацаанаас нь өмнө дуусгасан (1945 онд АНУ эдгээр бөмбөгийг Японы хоёр хотод хаясан), мөн түүнчлэн цөмийн бөмбөгийг зогсоох гол хүчин зүйл болсон юм. Дэлхийн 3-р дайны дэгдэлт.
Эйнштэйн өөрөө мэдээж чадаагүйтүүний нээсэн томъёоны ийм үр дагаврыг урьдчилан харах. Тэрээр атомын зэвсэг бүтээх Манхэттэний төсөлд оролцоогүй гэдгийг анхаарна уу.
Фотоэлектрик эффектийн үзэгдэл ба түүний тайлбар
Одоо 1920-иод оны эхээр Альберт Эйнштейн Нобелийн шагнал хүртсэн асуулт руугаа орцгооё.
Герц 1887 онд нээсэн фотоэлектрик эффектийн үзэгдэл нь тодорхой давтамжийн гэрлээр цацруулсан тохиолдолд тодорхой материалын гадаргуу дээр чөлөөт электронууд гарч ирэхээс бүрддэг. Энэ үзэгдлийг 20-р зууны эхээр бий болсон гэрлийн долгионы онолын үүднээс тайлбарлах боломжгүй байв. Тиймээс яагаад фотоэлектрик эффект нь цаг хугацааны хоцрогдолгүйгээр (1 ns-ээс бага) ажиглагдаж байгаа, яагаад удаашрах боломж нь гэрлийн эх үүсвэрийн эрчмээс хамаардаггүй нь тодорхойгүй байв. Эйнштейн гайхалтай тайлбар өгсөн.
Эрдэмтэн нэгэн энгийн зүйлийг санал болгосон: гэрэл бодистой харьцахдаа долгион шиг биш, харин корпускул, квант, бөөгнөрөл энерги шиг ажилладаг. Анхны ойлголтууд аль хэдийн мэдэгдэж байсан - корпускуляр онолыг 17-р зууны дунд үед Ньютон санал болгосон бөгөөд цахилгаан соронзон долгионы квантуудын тухай ойлголтыг эх орон нэгт физикч Макс Планк нэвтрүүлсэн. Эйнштейн онол, туршилтын бүх мэдлэгийг нэгтгэж чадсан. Зөвхөн нэг электронтой харилцан үйлчилдэг фотон (гэрлийн квант) нь түүнд энергийг бүрэн өгдөг гэж тэр үзэж байв. Хэрэв энэ энерги нь электрон ба цөмийн хоорондын холбоог таслахад хангалттай их байвал цэнэгтэй элементар бөөмс атомаас нээгдэж чөлөөт төлөвт орно.
Таглагдсан үзэлтЭйнштейнд фотоэлектрик эффектийн томъёог бичихийг зөвшөөрөв. Бид үүнийг дараагийн догол мөрөнд авч үзэх болно.
Фотоэлектрик эффект ба түүний тэгшитгэл
Энэ тэгшитгэл нь алдартай энерги-массын хамаарлаас арай урт юм. Энэ нь иймэрхүү харагдаж байна:
hv=A + Ek.
Энэ тэгшитгэл буюу Эйнштейний фотоэлектрик эффектийн томъёо нь процесст болж буй зүйлийн мөн чанарыг тусгасан болно: hv энергитэй фотон (Планкийн тогтмолыг хэлбэлзлийн давтамжаар үржүүлсэн) электрон хоорондын холбоог таслахад зарцуулагдана. ба цөм (A нь электроны ажлын функц) ба кинетик энергийн сөрөг бөөмтэй харилцах (Ek).
Дээрх томьёо нь фотоэлектрик эффектийн туршилтаар ажиглагдсан математикийн бүх хамаарлыг тайлбарлах боломжтой болгож, авч үзэж буй үзэгдлийн холбогдох хуулиудыг гаргахад хүргэсэн.
Фотоэлектрик эффектийг хаана ашигладаг вэ?
Одоогоор Эйнштейний дээр дурдсан санаануудыг нарны зайн хавтангийн ачаар гэрлийн энергийг цахилгаан болгон хувиргах зорилгоор хэрэгжүүлж байна.
Тэд дотоод фотоэлектрик эффектийг ашигладаг, өөрөөр хэлбэл атомаас "сугалагдсан" электронууд материалыг орхихгүй, харин дотор нь үлддэг. Идэвхтэй бодис нь n- ба p төрлийн цахиурын хагас дамжуулагч юм.
