Albert Einstein có lẽ được mọi người dân trên hành tinh chúng ta biết đến. Nó được biết đến nhờ vào công thức nổi tiếng về mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng. Tuy nhiên, ông đã không nhận được giải Nobel vì nó. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét hai công thức Einstein đã biến những ý tưởng vật lý về thế giới xung quanh chúng ta vào đầu thế kỷ 20.
Năm thành quả của Einstein
Năm 1905, Einstein xuất bản một số bài báo cùng một lúc, chủ yếu đề cập đến hai chủ đề: thuyết tương đối do ông phát triển và giải thích về hiệu ứng quang điện. Các tài liệu đã được xuất bản trên tạp chí Annalen der Physik của Đức. Chính tiêu đề của hai bài báo này đã gây hoang mang trong giới khoa học thời bấy giờ:
- "Quán tính của một cơ thể có phụ thuộc vào năng lượng mà nó chứa không?";
- "Quan điểm heuristic về nguồn gốc và sự biến đổi của ánh sáng".
Trong phần đầu tiên, nhà khoa học trích dẫn công thức hiện được biết đến của thuyết tương đối của Einstein, công thức kết hợpsự đồng đều về khối lượng và năng lượng. Bài báo thứ hai cung cấp một phương trình cho hiệu ứng quang điện. Cả hai công thức hiện được sử dụng để làm việc với chất phóng xạ và tạo ra năng lượng điện từ sóng điện từ.
Công thức rút gọn của thuyết tương đối hẹp
Thuyết tương đối do Einstein phát triển coi các hiện tượng khi khối lượng của các vật thể và tốc độ chuyển động của chúng là rất lớn. Trong đó, Einstein đưa ra giả thuyết rằng không thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng trong bất kỳ hệ quy chiếu nào và ở tốc độ gần ánh sáng, các thuộc tính của không-thời gian thay đổi, chẳng hạn như thời gian bắt đầu chậm lại.
Lý thuyết tương đối khó hiểu theo quan điểm logic, vì nó mâu thuẫn với những ý tưởng thông thường về chuyển động, những định luật được Newton thiết lập vào thế kỷ 17. Tuy nhiên, Einstein đã đưa ra một công thức thanh lịch và đơn giản từ các phép tính toán học phức tạp:
E=mc2.
Biểu thức này được gọi là công thức của Einstein về năng lượng và khối lượng. Hãy tìm hiểu ý nghĩa của nó.
Các khái niệm về khối lượng, năng lượng và tốc độ ánh sáng
Để hiểu rõ hơn về công thức của Albert Einstein, bạn nên hiểu chi tiết ý nghĩa của từng ký hiệu có trong nó.
Hãy bắt đầu với số đông. Bạn thường có thể nghe nói rằng đại lượng vật lý này có liên quan đến lượng vật chất chứa trong cơ thể. Điều này không hoàn toàn đúng. Đúng hơn nếu định nghĩa khối lượng là đơn vị đo quán tính. Cơ thể càng lớn càng khó tạo cho nó một sự chắc chắntốc độ. Khối lượng được tính bằng kilogam.
Vấn đề năng lượng cũng không đơn giản. Vì vậy, có một loạt các biểu hiện của nó: ánh sáng và nhiệt, hơi nước và điện, động năng và thế năng, liên kết hóa học. Tất cả các loại năng lượng này được thống nhất bởi một đặc tính quan trọng - khả năng làm việc của chúng. Nói cách khác, năng lượng là đại lượng vật chất có khả năng vận động cơ thể trước tác dụng của các ngoại lực khác. Số đo SI là jun.
Tốc độ ánh sáng là bao nhiêu thì mọi người đều rõ ràng. Nó được hiểu là quãng đường mà sóng điện từ truyền đi trên một đơn vị thời gian. Đối với chân không, giá trị này là một hằng số; trong bất kỳ môi trường thực nào khác, nó giảm. Tốc độ ánh sáng được đo bằng mét trên giây.
Ý nghĩa của công thức Einstein
Nếu bạn nhìn kỹ vào công thức đơn giản này, bạn có thể thấy rằng khối lượng liên quan đến năng lượng thông qua một hằng số (bình phương của tốc độ ánh sáng). Chính Einstein đã giải thích rằng khối lượng và năng lượng là những biểu hiện của cùng một thứ. Trong trường hợp này, có thể chuyển đổi m sang E và ngược lại.
Trước khi lý thuyết của Einstein ra đời, các nhà khoa học tin rằng các định luật bảo toàn khối lượng và năng lượng tồn tại riêng biệt và có giá trị đối với bất kỳ quá trình nào xảy ra trong các hệ thống kín. Einstein đã chỉ ra rằng đây không phải là trường hợp, và những hiện tượng này không tồn tại riêng lẻ mà tồn tại cùng nhau.
Một đặc điểm khác của công thức Einstein hay quy luật tương đương của khối lượng và năng lượng là hệ số tỉ lệ giữa các đại lượng này,tức là c2. Nó xấp xỉ bằng 1017m2/ s2. Giá trị khổng lồ này cho thấy rằng ngay cả một lượng nhỏ khối lượng cũng chứa năng lượng dự trữ rất lớn. Ví dụ, nếu bạn làm theo công thức này, thì chỉ cần một quả nho khô (nho khô) có thể đáp ứng tất cả nhu cầu năng lượng của Moscow trong một ngày. Mặt khác, yếu tố khổng lồ này cũng giải thích tại sao chúng ta không quan sát thấy sự thay đổi khối lượng trong tự nhiên, bởi vì chúng quá nhỏ so với giá trị năng lượng mà chúng ta sử dụng.
Ảnh hưởng của công thức đối với quá trình lịch sử của thế kỷ 20
Nhờ kiến thức về công thức này, một người đã có thể làm chủ năng lượng nguyên tử, trữ lượng khổng lồ được giải thích bằng các quá trình biến mất của khối lượng. Một ví dụ nổi bật là sự phân hạch của hạt nhân uranium. Nếu chúng ta cộng khối lượng của các đồng vị nhẹ được hình thành sau quá trình phân hạch này, thì nó sẽ nhỏ hơn nhiều so với hạt nhân ban đầu. Khối lượng biến mất biến thành năng lượng.
Khả năng sử dụng năng lượng nguyên tử của con người đã dẫn đến việc tạo ra một lò phản ứng cung cấp điện cho dân thường của các thành phố và thiết kế vũ khí chết người nhất trong lịch sử - bom nguyên tử.
Sự xuất hiện của quả bom nguyên tử đầu tiên của Hoa Kỳ đã kết thúc Chiến tranh thế giới thứ hai chống lại Nhật Bản trước thời hạn (năm 1945, Hoa Kỳ đã thả những quả bom này xuống hai thành phố của Nhật Bản), và cũng trở thành biện pháp ngăn chặn chính đối với Chiến tranh thế giới thứ ba bùng nổ.
Bản thân Einstein, tất nhiên, không thểđể thấy trước những hệ quả như vậy của công thức mà ông đã khám phá ra. Lưu ý rằng anh ấy không tham gia vào dự án Manhattan để tạo ra vũ khí nguyên tử.
Hiện tượng hiệu ứng quang điện và lời giải thích của nó
Bây giờ chúng ta hãy chuyển sang câu hỏi mà Albert Einstein đã được trao giải Nobel vào đầu những năm 1920.
Hiện tượng hiệu ứng quang điện, được phát hiện vào năm 1887 bởi Hertz, bao gồm sự xuất hiện của các electron tự do bên trên bề mặt của một vật liệu nhất định, nếu nó được chiếu xạ bằng ánh sáng có tần số nhất định. Không thể giải thích hiện tượng này theo quan điểm của lý thuyết sóng ánh sáng, lý thuyết ra đời vào đầu thế kỷ 20. Vì vậy, người ta không rõ tại sao hiệu ứng quang điện lại được quan sát mà không có thời gian trễ (nhỏ hơn 1 ns), tại sao thế giảm tốc không phụ thuộc vào cường độ của nguồn sáng. Einstein đã đưa ra một lời giải thích tuyệt vời.
Nhà khoa học đã gợi ý một điều đơn giản: khi ánh sáng tương tác với vật chất, nó hoạt động không giống như một làn sóng, mà giống như một tiểu thể, một lượng tử, một khối năng lượng. Các khái niệm ban đầu đã được biết đến - lý thuyết tiểu thể được đề xuất bởi Newton vào giữa thế kỷ 17, và khái niệm lượng tử sóng điện từ được đưa ra bởi nhà vật lý đồng hương Max Planck. Einstein đã có thể tập hợp tất cả kiến thức về lý thuyết và thực nghiệm. Ông tin rằng một photon (lượng tử ánh sáng), chỉ tương tác với một electron, hoàn toàn mang lại năng lượng cho nó. Nếu năng lượng này đủ lớn để phá vỡ liên kết giữa electron và hạt nhân, thì hạt cơ bản mang điện sẽ mở ra khỏi nguyên tử và chuyển sang trạng thái tự do.
Lượt xem được Gắn thẻđã cho phép Einstein viết ra công thức cho hiệu ứng quang điện. Chúng ta sẽ xem xét nó trong đoạn tiếp theo.
Hiệu ứng quang điện và phương trình của nó
Phương trình này dài hơn một chút so với quan hệ năng lượng-khối lượng nổi tiếng. Nó trông như thế này:
hv=A + Ek.
Phương trình này hoặc công thức của Einstein về hiệu ứng quang điện phản ánh bản chất của những gì đang xảy ra trong quá trình: một photon có năng lượng hv (hằng số Planck nhân với tần số dao động) được sử dụng để phá vỡ liên kết giữa electron và hạt nhân (A là hàm làm việc của electron) và liên lạc với một hạt động năng âm (Ek).
Công thức trên có thể giải thích tất cả các phụ thuộc toán học quan sát được trong các thí nghiệm về hiệu ứng quang điện và dẫn đến việc xây dựng các định luật tương ứng cho hiện tượng đang xét.
Hiệu ứng quang điện được sử dụng ở đâu?
Hiện tại, những ý tưởng của Einstein nêu trên đang được áp dụng để chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng nhờ các tấm pin mặt trời.
Chúng sử dụng hiệu ứng quang điện bên trong, tức là các electron "kéo ra" khỏi nguyên tử không rời khỏi vật liệu, mà vẫn ở trong nó. Chất hoạt động là chất bán dẫn silicon loại n và p.
