ალბერტ აინშტაინი ალბათ ცნობილია ჩვენი პლანეტის ყველა მკვიდრისთვის. ცნობილია მასისა და ენერგიის კავშირის ცნობილი ფორმულის წყალობით. თუმცა, მას ამისთვის ნობელის პრემია არ მიუღია. ამ სტატიაში განვიხილავთ აინშტაინის ორ ფორმულას, რომლებმაც შეცვალეს ფიზიკური იდეები ჩვენს გარშემო არსებულ სამყაროზე მე-20 საუკუნის დასაწყისში.
აინშტაინის ნაყოფიერი წელი
1905 წელს აინშტაინმა ერთდროულად გამოაქვეყნა რამდენიმე სტატია, რომლებიც ძირითადად ეხებოდა ორ თემას: მის მიერ შემუშავებულ ფარდობითობის თეორიას და ფოტოელექტრული ეფექტის ახსნას. მასალები გამოქვეყნდა გერმანულ ჟურნალში Annalen der Physik. სწორედ ამ ორი სტატიის სათაურმა გამოიწვია იმდროინდელი მეცნიერთა წრეში:
- "სხეულის ინერცია დამოკიდებულია მის შემცველ ენერგიაზე?";
- "ევრისტიკული თვალსაზრისი სინათლის წარმოშობისა და ტრანსფორმაციის შესახებ".
პირველში მეცნიერი მოჰყავს აინშტაინის ფარდობითობის თეორიის ამჟამად ცნობილ ფორმულას, რომელიც აერთიანებსმასისა და ენერგიის ერთგვაროვანი თანასწორობა. მეორე სტატიაში მოცემულია ფოტოელექტრული ეფექტის განტოლება. ორივე ფორმულა ამჟამად გამოიყენება როგორც რადიოაქტიურ ნივთიერებებთან მუშაობისთვის, ასევე ელექტრომაგნიტური ტალღებისგან ელექტრული ენერგიის გამოსამუშავებლად.
ფარდობითობის განსაკუთრებული ფორმულა
აინშტაინის მიერ შემუშავებული ფარდობითობის თეორია განიხილავს ფენომენებს, როდესაც ობიექტების მასები და მათი მოძრაობის სიჩქარე უზარმაზარია. მასში აინშტაინი ამტკიცებს, რომ შეუძლებელია სინათლეზე უფრო სწრაფად გადაადგილება ნებისმიერ საცნობარო სისტემაში და რომ სინათლის სიჩქარით, სივრცე-დროის თვისებები იცვლება, მაგალითად, დრო იწყებს შენელებას.
ფარდობითობის თეორია ძნელი გასაგებია ლოგიკური თვალსაზრისით, რადგან ის ეწინააღმდეგება მოძრაობის შესახებ ჩვეულ იდეებს, რომელთა კანონები ნიუტონმა დაადგინა მე-17 საუკუნეში. თუმცა, აინშტაინმა გამოიგონა ელეგანტური და მარტივი ფორმულა რთული მათემატიკური გამოთვლებიდან:
E=mc2.
ამ გამონათქვამს ეწოდება აინშტაინის ფორმულა ენერგიისა და მასისთვის. მოდით გავარკვიოთ რას ნიშნავს ეს.
ცნებები მასის, ენერგიისა და სინათლის სიჩქარის შესახებ
ალბერტ აინშტაინის ფორმულის უკეთ გასაგებად, დეტალურად უნდა გაიგოთ მასში არსებული თითოეული სიმბოლოს მნიშვნელობა.
დავიწყოთ მასით. ხშირად გესმით, რომ ეს ფიზიკური რაოდენობა დაკავშირებულია ორგანიზმში არსებული ნივთიერების რაოდენობასთან. ეს მთლად სიმართლეს არ შეესაბამება. უფრო სწორია მასის განსაზღვრა, როგორც ინერციის საზომი. რაც უფრო დიდია სხეული, მით უფრო ძნელია გარკვეულის მიცემასიჩქარე. მასა იზომება კილოგრამებში.
ენერგიის საკითხი ასევე არ არის მარტივი. ასე რომ, არსებობს მისი გამოვლინების მრავალფეროვნება: მსუბუქი და თერმული, ორთქლი და ელექტრო, კინეტიკური და პოტენციური, ქიმიური ბმები. ყველა ამ ტიპის ენერგია გაერთიანებულია ერთი მნიშვნელოვანი თვისებით - მათი მუშაობის უნარი. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ენერგია არის ფიზიკური რაოდენობა, რომელსაც შეუძლია სხეულების გადაადგილება სხვა გარე ძალების მოქმედების საწინააღმდეგოდ. SI ზომა არის ჯოული.
რა არის სინათლის სიჩქარე, დაახლოებით ყველასთვის გასაგებია. გაგებულია, როგორც მანძილი, რომელსაც ელექტრომაგნიტური ტალღა გადის დროის ერთეულზე. ვაკუუმისთვის ეს მნიშვნელობა არის მუდმივი; ნებისმიერ სხვა რეალურ გარემოში ის მცირდება. სინათლის სიჩქარე იზომება მეტრებში წამში.
აინშტაინის ფორმულის მნიშვნელობა
თუ დააკვირდებით ამ მარტივ ფორმულას, ხედავთ, რომ მასა დაკავშირებულია ენერგიასთან მუდმივის საშუალებით (შუქის სიჩქარის კვადრატი). თავად აინშტაინმა განმარტა, რომ მასა და ენერგია ერთი და იგივეს გამოვლინებაა. ამ შემთხვევაში, m-ზე E-ზე და უკან გადასვლა შესაძლებელია.
აინშტაინის თეორიის მოსვლამდე მეცნიერებს სჯეროდათ, რომ მასისა და ენერგიის შენარჩუნების კანონები არსებობს ცალ-ცალკე და მოქმედებს ნებისმიერი პროცესისთვის, რომელიც ხდება დახურულ სისტემებში. აინშტაინმა აჩვენა, რომ ეს ასე არ არის და ეს ფენომენი გრძელდება არა ცალკე, არამედ ერთად.
აინშტაინის ფორმულის ან მასის და ენერგიის ეკვივალენტობის კანონის კიდევ ერთი თვისებაა ამ სიდიდეებს შორის პროპორციულობის კოეფიციენტი,ანუ c2. ის დაახლოებით უდრის 1017 მ2/s2. ეს უზარმაზარი მნიშვნელობა იმაზე მეტყველებს, რომ მასის მცირე რაოდენობაც კი შეიცავს ენერგიის უზარმაზარ მარაგს. მაგალითად, თუ დაიცავთ ამ ფორმულას, მაშინ მხოლოდ ერთი გამხმარი ყურძენი (ქიშმიში) შეუძლია დააკმაყოფილოს მოსკოვის ყველა ენერგეტიკული მოთხოვნილება ერთ დღეში. მეორეს მხრივ, ეს უზარმაზარი ფაქტორი ასევე ხსნის იმას, თუ რატომ არ ვაკვირდებით ბუნებაში მასობრივ ცვლილებებს, რადგან ისინი ძალიან მცირეა იმ ენერგეტიკული ღირებულებებისთვის, რომელსაც ჩვენ ვიყენებთ.
ფორმულის გავლენა მე-20 საუკუნის ისტორიის მიმდინარეობაზე
ამ ფორმულის ცოდნის წყალობით ადამიანმა შეძლო დაეუფლა ატომურ ენერგიას, რომლის უზარმაზარი რეზერვები აიხსნება მასის გაქრობის პროცესებით. თვალსაჩინო მაგალითია ურანის ბირთვის დაშლა. თუ ამ დაშლის შემდეგ წარმოქმნილი სინათლის იზოტოპების მასას დავუმატებთ, მაშინ აღმოჩნდება, რომ იგი გაცილებით ნაკლები იქნება, ვიდრე თავდაპირველი ბირთვისთვის. გაუჩინარებული მასა ენერგიად იქცევა.
ადამიანის უნარმა გამოიყენოს ატომური ენერგია გამოიწვია რეაქტორის შექმნა, რომელიც ემსახურება ქალაქების მშვიდობიანი მოსახლეობის ელექტროენერგიის მიწოდებას და ყველა ცნობილ ისტორიაში ყველაზე მომაკვდინებელი იარაღის - ატომური ბომბის შექმნას.
შეერთებულ შტატებში პირველი ატომური ბომბის გამოჩენამ დაასრულა მეორე მსოფლიო ომი იაპონიის წინააღმდეგ ვადაზე ადრე (1945 წელს შეერთებულმა შტატებმა ეს ბომბები ჩამოაგდო იაპონიის ორ ქალაქზე) და ასევე გახდა მთავარი შემაკავებელი ფაქტორი. მესამე მსოფლიო ომის დაწყება.
თავად აინშტაინს, რა თქმა უნდა, არ შეეძლომის მიერ აღმოჩენილი ფორმულის ასეთი შედეგების განჭვრეტა. გაითვალისწინეთ, რომ მას არ მიუღია მონაწილეობა მანჰეტენის ატომური იარაღის შექმნის პროექტში.
ფოტოელექტრული ეფექტის ფენომენი და მისი ახსნა
ახლა გადავიდეთ კითხვაზე, რისთვისაც ალბერტ აინშტაინს მიენიჭა ნობელის პრემია 1920-იანი წლების დასაწყისში.
ფოტოელექტრული ეფექტის ფენომენი, რომელიც აღმოაჩინა 1887 წელს ჰერცმა, მოიცავს თავისუფალი ელექტრონების გამოჩენას გარკვეული მასალის ზედაპირზე, თუ ის დასხივებულია გარკვეული სიხშირის შუქით. შეუძლებელი იყო ამ ფენომენის ახსნა მე-20 საუკუნის დასაწყისში დამკვიდრებული სინათლის ტალღური თეორიის თვალსაზრისით. ამგვარად, გაუგებარი იყო, რატომ შეინიშნება ფოტოელექტრული ეფექტი დროის დაყოვნების გარეშე (1 წმ-ზე ნაკლები), რატომ არ არის დამოკიდებული შენელების პოტენციალი სინათლის წყაროს ინტენსივობაზე. აინშტაინმა ბრწყინვალე ახსნა მისცა.
მეცნიერმა შემოგვთავაზა მარტივი რამ: როდესაც სინათლე ურთიერთქმედებს მატერიასთან, ის იქცევა არა როგორც ტალღა, არამედ როგორც კორპუსკული, კვანტი, ენერგიის შედედება. საწყისი ცნებები უკვე ცნობილი იყო - კორპუსკულარული თეორია ნიუტონმა შემოგვთავაზა მე-17 საუკუნის შუა ხანებში, ხოლო ელექტრომაგნიტური ტალღის კვანტების კონცეფცია შემოიღო თანამემამულე ფიზიკოსმა მაქს პლანკმა. აინშტაინმა შეძლო თეორიისა და ექსპერიმენტის მთელი ცოდნის გაერთიანება. მას სჯეროდა, რომ ფოტონი (სინათლის კვანტი), რომელიც ურთიერთქმედებს მხოლოდ ერთ ელექტრონთან, მთლიანად აძლევს მას ენერგიას. თუ ეს ენერგია საკმარისად დიდია ელექტრონსა და ბირთვს შორის კავშირის გასაწყვეტად, მაშინ დამუხტული ელემენტარული ნაწილაკი იხსნება ატომიდან და გადადის თავისუფალ მდგომარეობაში.
მონიშნული ნახვებიაინშტაინს მისცა საშუალება დაეწერა ფოტოელექტრული ეფექტის ფორმულა. განვიხილავთ მას შემდეგ აბზაცში.
ფოტოელექტრული ეფექტი და მისი განტოლება
ეს განტოლება ცოტათი გრძელია ვიდრე ცნობილი ენერგია-მასის მიმართება. ასე გამოიყურება:
hv=A + Ek.
ეს განტოლება ან აინშტაინის ფოტოელექტრული ეფექტის ფორმულა ასახავს პროცესის მიმდინარეობის არსს: ფოტონი ენერგიით hv (პლანკის მუდმივი გამრავლებული რხევის სიხშირეზე) იხარჯება ელექტრონს შორის კავშირის გაწყვეტაზე. და ბირთვი (A არის ელექტრონის სამუშაო ფუნქცია) და კინეტიკური ენერგიის უარყოფითი ნაწილაკის გადაცემაზე (Ek).
ზემოხსენებულმა ფორმულამ შესაძლებელი გახადა აეხსნა ყველა მათემატიკური დამოკიდებულება, რომელიც დაფიქსირდა ექსპერიმენტებში ფოტოელექტრული ეფექტის შესახებ და განაპირობა განსახილველი ფენომენის შესაბამისი კანონების ფორმულირება.
სად გამოიყენება ფოტოელექტრული ეფექტი?
ამჟამად, აინშტაინის ზემოთ მოყვანილი იდეები გამოიყენება მზის პანელების წყალობით სინათლის ენერგიის ელექტროენერგიად გადაქცევისთვის.
ისინი იყენებენ შიდა ფოტოელექტრო ეფექტს, ანუ ატომიდან „გამოყვანილი“ელექტრონები არ ტოვებენ მასალას, არამედ რჩებიან მასში. აქტიური ნივთიერება არის n- და p ტიპის სილიციუმის ნახევარგამტარები.
