Albert Einstein ist wohl jedem Bewohner unseres Planeten ein Begriff. Es ist bekannt durch die berühmte Formel für den Zusammenhang zwischen Masse und Energie. Den Nobelpreis erhielt er dafür allerdings nicht. In diesem Artikel betrachten wir zwei Einstein-Formeln, die zu Beginn des 20. Jahrhunderts die physikalischen Vorstellungen über die Welt um uns herum verändert haben.
Einsteins fruchtbares Jahr
1905 veröffentlichte Einstein mehrere Artikel auf einmal, die sich hauptsächlich mit zwei Themen befassten: der von ihm entwickelten Relativitätstheorie und der Erklärung des photoelektrischen Effekts. Die Materialien wurden in der deutschen Zeitschrift Annalen der Physik veröffentlicht. Schon die Titel dieser beiden Artikel sorgten damals in Kreisen der Wissenschaftler für Verwirrung:
- "Hängt die Trägheit eines Körpers von der Energie ab, die er enthält?";
- "Eine heuristische Sichtweise auf den Ursprung und die Transformation des Lichts".
Im ersten zitiert der Wissenschaftler die derzeit bekannte Formel von Einsteins Relativitätstheorie, die kombinierteinheitliche Gleichheit von Masse und Energie. Der zweite Artikel liefert eine Gleichung für den photoelektrischen Effekt. Beide Formeln werden derzeit sowohl zur Arbeit mit radioaktiver Materie als auch zur Erzeugung elektrischer Energie aus elektromagnetischen Wellen verwendet.
Kurzformel der speziellen Relativitätstheorie
Die von Einstein entwickelte Relativitätstheorie betrachtet die Phänomene, wenn die Massen von Objekten und ihre Bewegungsgeschwindigkeiten riesig sind. Darin postuliert Einstein, dass es unmöglich ist, sich in jedem Bezugssystem schneller als Licht zu bewegen, und dass sich bei nahezu Lichtgeschwindigkeit die Eigenschaften der Raumzeit ändern, zum Beispiel beginnt die Zeit sich zu verlangsamen.
Die Relativitätstheorie ist aus logischer Sicht schwer zu verstehen, weil sie den üblichen Bewegungsvorstellungen widerspricht, deren Gesetzmäßigkeiten von Newton im 17. Jahrhundert aufgestellt wurden. Einstein hat jedoch aus komplexen mathematischen Berechnungen eine elegante und einfache Formel entwickelt:
E=mc2.
Diesen Ausdruck nennt man Einsteins Formel für Energie und Masse. Lassen Sie uns herausfinden, was es bedeutet.
Die Begriffe Masse, Energie und Lichtgeschwindigkeit
Um die Formel von Albert Einstein besser zu verstehen, sollten Sie die Bedeutung jedes darin enth altenen Symbols im Detail verstehen.
Fangen wir mit der Masse an. Sie können oft hören, dass diese physikalische Größe mit der Menge an Materie zusammenhängt, die im Körper enth alten ist. Dies ist nicht ganz richtig. Richtiger ist es, die Masse als Maß für die Trägheit zu definieren. Je größer der Körper, desto schwieriger ist es, ihm etwas Bestimmtes zu gebenGeschwindigkeit. Die Masse wird in Kilogramm gemessen.
Auch das Thema Energie ist nicht einfach. Es gibt also eine Vielzahl seiner Manifestationen: Licht und Wärme, Dampf und Elektrizität, kinetische und potentielle, chemische Bindungen. Alle diese Energiearten sind durch eine wichtige Eigenschaft vereint - ihre Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Mit anderen Worten, Energie ist eine physikalische Größe, die in der Lage ist, Körper gegen die Wirkung anderer äußerer Kräfte zu bewegen. Das SI-Maß ist das Joule.
Was die Lichtgeschwindigkeit ist, ist ungefähr jedem klar. Darunter versteht man die Strecke, die eine elektromagnetische Welle pro Zeiteinheit zurücklegt. Für Vakuum ist dieser Wert eine Konstante, in jedem anderen realen Medium nimmt er ab. Die Lichtgeschwindigkeit wird in Metern pro Sekunde gemessen.
Die Bedeutung von Einsteins Formel
Wenn Sie sich diese einfache Formel genau ansehen, können Sie sehen, dass Masse durch eine Konstante (das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit) mit Energie in Beziehung steht. Einstein selbst erklärte, dass Masse und Energie Manifestationen derselben Sache sind. In diesem Fall sind Übergänge m nach E und zurück möglich.
Vor dem Aufkommen von Einsteins Theorie glaubten Wissenschaftler, dass die Gesetze zur Erh altung von Masse und Energie getrennt existieren und für alle Prozesse gelten, die in geschlossenen Systemen ablaufen. Einstein zeigte, dass dies nicht der Fall ist und dass diese Phänomene nicht getrennt, sondern zusammen bestehen.
Ein weiteres Merkmal von Einsteins Formel oder des Äquivalenzgesetzes von Masse und Energie ist der Proportionalitätskoeffizient zwischen diesen Größen,also c2. Es ist ungefähr gleich 1017 m2/s2. Dieser enorme Wert deutet darauf hin, dass selbst eine kleine Menge Masse riesige Energiereserven enthält. Wenn Sie beispielsweise dieser Formel folgen, kann nur eine getrocknete Traube (Rosinen) den gesamten Energiebedarf Moskaus an einem Tag decken. Andererseits erklärt dieser gew altige Faktor auch, warum wir Massenänderungen in der Natur nicht beobachten, weil sie für die von uns verwendeten Energiewerte zu klein sind.
Der Einfluss der Formel auf den Verlauf der Geschichte des 20. Jahrhunderts
Dank der Kenntnis dieser Formel konnte eine Person die Atomenergie beherrschen, deren riesige Reserven durch die Prozesse des Verschwindens von Masse erklärt werden. Ein markantes Beispiel ist die Sp altung des Urankerns. Wenn wir die Masse der nach dieser Sp altung gebildeten leichten Isotope zusammenzählen, wird sie viel kleiner sein als die des ursprünglichen Kerns. Verschwundene Masse wird zu Energie.
Die menschliche Fähigkeit, Atomenergie zu nutzen, führte zur Schaffung eines Reaktors, der dazu dient, die Zivilbevölkerung der Städte mit Strom zu versorgen, und zum Entwurf der tödlichsten Waffe in der gesamten bekannten Geschichte - der Atombombe.
Das Erscheinen der ersten Atombombe in den Vereinigten Staaten beendete den Zweiten Weltkrieg gegen Japan vorzeitig (1945 warfen die Vereinigten Staaten diese Bomben auf zwei japanische Städte) und wurde auch zur Hauptabschreckung für die Ausbruch des Dritten Weltkriegs.
Einstein selbst konnte das natürlich nichtsolche Konsequenzen der von ihm entdeckten Formel vorauszusehen. Beachten Sie, dass er nicht am Manhattan-Projekt zur Herstellung von Atomwaffen teilgenommen hat.
Das Phänomen des photoelektrischen Effekts und seine Erklärung
Nun kommen wir zu der Frage, für die Albert Einstein Anfang der 1920er Jahre mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde.
Das 1887 von Hertz entdeckte Phänomen des photoelektrischen Effekts besteht im Erscheinen freier Elektronen über der Oberfläche eines bestimmten Materials, wenn es mit Licht bestimmter Frequenzen bestrahlt wird. Aus Sicht der zu Beginn des 20. Jahrhunderts aufgestellten Wellentheorie des Lichts war dieses Phänomen nicht zu erklären. Somit war nicht klar, warum der photoelektrische Effekt ohne Zeitverzögerung (weniger als 1 ns) beobachtet wird, warum das Verzögerungspotential nicht von der Intensität der Lichtquelle abhängt. Einstein gab eine brillante Erklärung.
Der Wissenschaftler schlug eine einfache Sache vor: Wenn Licht mit Materie interagiert, verhält es sich nicht wie eine Welle, sondern wie ein Korpuskel, ein Quantum, ein Energieklumpen. Die ersten Konzepte waren bereits bekannt – die Korpuskulartheorie wurde Mitte des 17. Jahrhunderts von Newton vorgeschlagen, und das Konzept der elektromagnetischen Wellenquanten wurde von seinem Landsmann Max Planck eingeführt. Einstein konnte alle Erkenntnisse aus Theorie und Experiment zusammenbringen. Er glaubte, dass ein Photon (Lichtquant), das mit nur einem Elektron interagiert, ihm seine Energie vollständig gibt. Ist diese Energie groß genug, um die Bindung zwischen Elektron und Kern aufzubrechen, dann löst sich das geladene Elementarteilchen vom Atom und geht in einen freien Zustand über.
Markierte Aufrufeerlaubte Einstein, die Formel für den photoelektrischen Effekt aufzuschreiben. Wir werden es im nächsten Absatz betrachten.
Photoelektrischer Effekt und seine Gleichung
Diese Gleichung ist etwas länger als die berühmte Energie-Masse-Beziehung. Das sieht so aus:
hv=A + Ek.
Diese Gleichung oder Einsteins Formel für den photoelektrischen Effekt spiegelt das Wesen dessen wider, was dabei passiert: Ein Photon mit der Energie hv (Plancksche Konstante multipliziert mit der Schwingungsfrequenz) wird aufgewendet, um die Bindung zwischen den Elektronen zu brechen und dem Kern (A ist die Austrittsarbeit des Elektrons) und bei der Übertragung eines negativen Teilchens kinetischer Energie (Ek).
Die obige Formel ermöglichte es, alle mathematischen Abhängigkeiten zu erklären, die in Experimenten zum photoelektrischen Effekt beobachtet wurden, und führte zur Formulierung der entsprechenden Gesetzmäßigkeiten für das betrachtete Phänomen.
Wo wird der photoelektrische Effekt genutzt?
Derzeit werden Einsteins oben skizzierte Ideen angewendet, um Lichtenergie dank Sonnenkollektoren in Strom umzuwandeln.
Sie nutzen einen inneren photoelektrischen Effekt, das heißt, die aus dem Atom „herausgezogenen“Elektronen verlassen das Material nicht, sondern verbleiben darin. Der Wirkstoff sind Siliziumhalbleiter vom n- und p-Typ.
