Albert Einstein เป็นที่รู้จักของชาวโลกทุกคน เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าต้องขอบคุณสูตรที่มีชื่อเสียงสำหรับการเชื่อมต่อระหว่างมวลกับพลังงาน อย่างไรก็ตาม เขาไม่ได้รับรางวัลโนเบลจากเรื่องนี้ ในบทความนี้ เราจะพิจารณาสองสูตรของ Einstein ที่เปลี่ยนความคิดทางกายภาพเกี่ยวกับโลกรอบตัวเราเมื่อต้นศตวรรษที่ 20
ปีแห่งความสำเร็จของไอน์สไตน์
ในปี ค.ศ. 1905 Einstein ได้ตีพิมพ์บทความหลายบทความพร้อมกัน ซึ่งส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับสองหัวข้อ: ทฤษฎีสัมพัทธภาพที่เขาพัฒนาขึ้นและคำอธิบายของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก วัสดุดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์ในวารสารเยอรมัน Annalen der Physik ชื่อบทความของทั้งสองบทความนี้ทำให้เกิดความสับสนในแวดวงนักวิทยาศาสตร์ในขณะนั้น:
- "ความเฉื่อยของร่างกายขึ้นอยู่กับพลังงานที่มีอยู่หรือไม่";
- "มุมมองฮิวริสติกเกี่ยวกับกำเนิดและการเปลี่ยนแปลงของแสง"
ในตอนแรกนักวิทยาศาสตร์อ้างถึงสูตรทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ที่รู้จักกันในปัจจุบันซึ่งรวมเอาความเท่าเทียมกันของมวลและพลังงาน บทความที่สองแสดงสมการสำหรับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก ปัจจุบันทั้งสองสูตรนี้ใช้ทั้งในการทำงานกับสารกัมมันตภาพรังสีและเพื่อสร้างพลังงานไฟฟ้าจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
สูตรสัมพัทธภาพพิเศษสั้น
ทฤษฎีสัมพัทธภาพซึ่งพัฒนาโดย Einstein พิจารณาปรากฏการณ์เมื่อมวลของวัตถุและความเร็วของการเคลื่อนที่มีขนาดใหญ่มาก ในนั้นไอน์สไตน์สันนิษฐานว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะเคลื่อนที่เร็วกว่าแสงในกรอบอ้างอิงใด ๆ และที่ความเร็วใกล้แสงคุณสมบัติของการเปลี่ยนแปลงกาลอวกาศเช่นเวลาเริ่มช้าลง
ทฤษฎีสัมพัทธภาพเข้าใจยากจากมุมมองเชิงตรรกะ เพราะมันขัดแย้งกับแนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับการเคลื่อนไหว ซึ่งกฎของนิวตันตั้งขึ้นในศตวรรษที่ 17 อย่างไรก็ตาม Einstein ได้คิดค้นสูตรที่หรูหราและเรียบง่ายจากการคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อน:
E=mc2.
นิพจน์นี้เรียกว่าสูตรพลังงานและมวลของไอน์สไตน์ มาดูกันว่ามันหมายถึงอะไร
แนวคิดเรื่องมวล พลังงาน และความเร็วแสง
เพื่อให้เข้าใจสูตรของ Albert Einstein มากขึ้น คุณควรเข้าใจรายละเอียดความหมายของสัญลักษณ์แต่ละตัวที่มีอยู่ในนั้นอย่างละเอียด
มาเริ่มกันที่มวลสารกัน คุณมักจะได้ยินว่าปริมาณทางกายภาพนี้สัมพันธ์กับปริมาณของสสารที่มีอยู่ในร่างกาย นี้ไม่เป็นความจริงทั้งหมด เป็นการถูกต้องกว่าที่จะกำหนดมวลเป็นตัววัดความเฉื่อย ยิ่งร่างใหญ่ยิ่งหนักแน่นความเร็ว. มวลมีหน่วยเป็นกิโลกรัม
เรื่องพลังงานก็ไม่ง่ายเช่นกัน ดังนั้นจึงมีอาการต่างๆ นานา ได้แก่ แสงและความร้อน ไอน้ำและไฟฟ้า จลนพลศาสตร์และศักย์ไฟฟ้า พันธะเคมี พลังงานทุกประเภทเหล่านี้รวมกันเป็นหนึ่งคุณสมบัติที่สำคัญ นั่นคือ ความสามารถในการทำงาน กล่าวอีกนัยหนึ่ง พลังงานคือปริมาณทางกายภาพที่สามารถเคลื่อนที่ร่างกายต้านการกระทำของแรงภายนอกอื่นๆ การวัด SI คือจูล
ความเร็วแสงเท่าไรก็ชัดเจนสำหรับทุกคน เป็นที่เข้าใจกันว่าระยะทางที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางต่อหน่วยเวลา สำหรับสุญญากาศ ค่านี้เป็นค่าคงที่ ในตัวกลางจริงอื่นๆ ค่าจะลดลง ความเร็วของแสงมีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที
ความหมายของสูตรไอน์สไตน์
หากคุณพิจารณาสูตรง่ายๆ นี้อย่างละเอียด คุณจะเห็นว่ามวลสัมพันธ์กับพลังงานผ่านค่าคงที่ (กำลังสองของความเร็วแสง) ไอน์สไตน์เองอธิบายว่ามวลและพลังงานเป็นการสำแดงของสิ่งเดียวกัน ในกรณีนี้ สามารถเปลี่ยนจาก m เป็น E และย้อนกลับได้
ก่อนกำเนิดทฤษฎีของไอน์สไตน์ นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ากฎการอนุรักษ์มวลและพลังงานมีอยู่แยกจากกัน และใช้ได้กับกระบวนการใดๆ ที่เกิดขึ้นในระบบปิด ไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่านี่ไม่ใช่กรณี และปรากฏการณ์เหล่านี้ยังคงอยู่ไม่แยกจากกัน แต่ร่วมกัน
คุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งของสูตรของไอน์สไตน์หรือกฎความสมมูลของมวลและพลังงานก็คือสัมประสิทธิ์สัดส่วนระหว่างปริมาณเหล่านี้เช่น c2 มีค่าประมาณ 1017 m2/s2 มูลค่ามหาศาลนี้แสดงให้เห็นว่าแม้มวลเพียงเล็กน้อยก็ยังมีพลังงานสำรองมหาศาล ตัวอย่างเช่น หากคุณทำตามสูตรนี้ องุ่นแห้ง (ลูกเกด) เพียงลูกเดียวก็สามารถตอบสนองความต้องการด้านพลังงานทั้งหมดของมอสโกได้ในหนึ่งวัน ในทางกลับกัน ปัจจัยขนาดใหญ่นี้ยังอธิบายได้ว่าทำไมเราไม่สังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงของมวลธรรมชาติ เพราะมันเล็กเกินไปสำหรับค่าพลังงานที่เราใช้
อิทธิพลของสูตรที่มีต่อประวัติศาสตร์ศตวรรษที่ 20
ด้วยความรู้ในสูตรนี้ บุคคลสามารถควบคุมพลังงานปรมาณูได้ ซึ่งปริมาณสำรองมหาศาลนั้นอธิบายได้จากกระบวนการของการหายตัวไปของมวล ตัวอย่างที่เด่นชัดคือฟิชชันของนิวเคลียสของยูเรเนียม หากเราบวกมวลของไอโซโทปแสงที่เกิดขึ้นหลังจากการแตกตัวออกมา มันจะออกมาน้อยกว่านิวเคลียสดั้งเดิมมาก มวลที่หายไปกลายเป็นพลังงาน
ความสามารถของมนุษย์ในการใช้พลังงานปรมาณูนำไปสู่การสร้างเครื่องปฏิกรณ์ที่ทำหน้าที่จ่ายไฟฟ้าให้กับประชากรพลเรือนในเมือง และการออกแบบอาวุธที่อันตรายที่สุดในประวัติศาสตร์ที่รู้จักกันทั้งหมด - ระเบิดปรมาณู
การปรากฏตัวของระเบิดปรมาณูลูกแรกในสหรัฐอเมริกายุติสงครามโลกครั้งที่สองกับญี่ปุ่นก่อนกำหนด (ในปี 1945 สหรัฐฯ ทิ้งระเบิดเหล่านี้ในสองเมืองของญี่ปุ่น) และยังกลายเป็นอุปสรรคหลักในการยับยั้ง การระบาดของสงครามโลกครั้งที่สาม
ไอน์สไตน์เองทำไม่ได้เพื่อคาดการณ์ผลที่ตามมาของสูตรที่เขาค้นพบ สังเกตว่าเขาไม่ได้มีส่วนร่วมในโครงการแมนฮัตตันเพื่อสร้างอาวุธปรมาณู
ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกและคำอธิบาย
ตอนนี้ มาต่อกันที่คำถามที่ Albert Einstein ได้รับรางวัลโนเบลในช่วงต้นปี 1920 กันไหม
ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกที่เฮิรตซ์ค้นพบในปี พ.ศ. 2430 ประกอบด้วยอิเล็กตรอนอิสระเหนือพื้นผิวของวัสดุบางชนิด หากฉายรังสีด้วยแสงบางความถี่ เป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายปรากฏการณ์นี้จากมุมมองของทฤษฎีคลื่นแสงซึ่งก่อตั้งขึ้นเมื่อต้นศตวรรษที่ 20 ดังนั้นจึงไม่ชัดเจนว่าทำไมจึงสังเกตเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกโดยไม่หน่วงเวลา (น้อยกว่า 1 ns) เหตุใดศักยภาพการชะลอตัวจึงไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มของแหล่งกำเนิดแสง ไอน์สไตน์ให้คำอธิบายที่ยอดเยี่ยม
นักวิทยาศาสตร์แนะนำสิ่งง่ายๆ: เมื่อแสงทำปฏิกิริยากับสสาร มันจะไม่ทำตัวเหมือนคลื่น แต่เหมือนก้อนเนื้อ ควอนตัม หรือก้อนพลังงาน แนวคิดเริ่มต้นเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว - ทฤษฎีเกี่ยวกับร่างกายถูกเสนอโดยนิวตันในช่วงกลางศตวรรษที่ 17 และแนวคิดของควอนตัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้รับการแนะนำโดยนักฟิสิกส์เพื่อนร่วมชาติ Max Planck ไอน์สไตน์สามารถรวบรวมความรู้ทั้งหมดของทฤษฎีและการทดลอง เขาเชื่อว่าโฟตอน (ควอนตัมของแสง) มีปฏิสัมพันธ์กับอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว ให้พลังงานแก่มันอย่างสมบูรณ์ หากพลังงานนี้มีขนาดใหญ่พอที่จะทำลายพันธะระหว่างอิเล็กตรอนและนิวเคลียส อนุภาคมูลฐานที่มีประจุจะเปิดขึ้นจากอะตอมและเข้าสู่สภาวะอิสระ
Tagged Viewsอนุญาตให้ไอน์สไตน์เขียนสูตรสำหรับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก เราจะพิจารณาในย่อหน้าถัดไป
โฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์และสมการ
สมการนี้ยาวกว่าความสัมพันธ์มวลพลังงานที่มีชื่อเสียงเล็กน้อย หน้าตาเป็นแบบนี้:
hv=A + Ek.
สมการนี้หรือสูตรของไอน์สไตน์สำหรับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกสะท้อนถึงแก่นแท้ของสิ่งที่เกิดขึ้นในกระบวนการ: โฟตอนที่มีพลังงาน hv (ค่าคงที่ของพลังค์คูณด้วยความถี่การสั่น) ใช้ในการทำลายพันธะระหว่างอิเล็กตรอน และนิวเคลียส (A คือหน้าที่การทำงานของอิเล็กตรอน) และการสื่อสารอนุภาคเชิงลบของพลังงานจลน์ (Ek)
สูตรข้างต้นทำให้สามารถอธิบายการพึ่งพาทางคณิตศาสตร์ทั้งหมดที่สังเกตพบในการทดลองเกี่ยวกับโฟโตอิเล็กทริกได้ และนำไปสู่การกำหนดกฎเกณฑ์ที่เกี่ยวข้องสำหรับปรากฏการณ์ที่กำลังพิจารณา
โฟโตอิเล็กทริคใช้ที่ไหน
ปัจจุบัน แนวคิดของไอน์สไตน์ที่กล่าวข้างต้นกำลังถูกนำไปใช้ในการแปลงพลังงานแสงเป็นไฟฟ้าด้วยแผงโซลาร์เซลล์
พวกมันใช้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกภายใน นั่นคือ อิเล็กตรอนที่ "ดึงออกมา" จากอะตอมจะไม่ทิ้งวัสดุไว้ แต่จะคงอยู่ในนั้น สารออกฤทธิ์คือเซมิคอนดักเตอร์ซิลิกอนชนิด n และ p