Albert Einstein è probabilmente noto a tutti gli abitanti del nostro pianeta. È noto grazie alla famosa formula per la connessione tra massa ed energia. Tuttavia, non ha ricevuto il premio Nobel per questo. In questo articolo, considereremo due formule di Einstein che hanno trasformato le idee fisiche sul mondo intorno a noi all'inizio del 20° secolo.
Anno fruttuoso di Einstein
Nel 1905 Einstein pubblicò diversi articoli contemporaneamente, che trattavano principalmente due argomenti: la teoria della relatività da lui sviluppata e la spiegazione dell'effetto fotoelettrico. I materiali sono stati pubblicati sulla rivista tedesca Annalen der Physik. I titoli stessi di questi due articoli provocarono sconcerto nella cerchia degli scienziati dell'epoca:
- "L'inerzia di un corpo dipende dall'energia che contiene?";
- "Un punto di vista euristico sull'origine e la trasformazione della luce".
Nella prima, lo scienziato cita la formula attualmente nota della teoria della relatività di Einstein, che combinauguaglianza uniforme di massa ed energia. Il secondo articolo fornisce un'equazione per l'effetto fotoelettrico. Entrambe le formule sono attualmente utilizzate sia per lavorare con la materia radioattiva che per generare energia elettrica da onde elettromagnetiche.
Formula breve della relatività speciale
La teoria della relatività sviluppata da Einstein considera i fenomeni quando le masse degli oggetti e le loro velocità di movimento sono enormi. In esso, Einstein postula che è impossibile muoversi più velocemente della luce in qualsiasi sistema di riferimento e che a velocità prossime alla luce, le proprietà dello spazio-tempo cambiano, ad esempio, il tempo inizia a rallentare.
La teoria della relatività è difficile da comprendere da un punto di vista logico, perché contraddice le idee usuali sul moto, le cui leggi furono stabilite da Newton nel 17° secolo. Tuttavia, Einstein ha escogitato una formula elegante e semplice da complessi calcoli matematici:
MI=mc2.
Questa espressione è chiamata formula di Einstein per energia e massa. Scopriamo cosa significa.
I concetti di massa, energia e velocità della luce
Per comprendere meglio la formula di Albert Einstein, dovresti capire in dettaglio il significato di ogni simbolo che è presente in essa.
Iniziamo dalla messa. Si sente spesso dire che questa quantità fisica è correlata alla quantità di materia contenuta nel corpo. Questo non è del tutto vero. È più corretto definire la massa come misura dell'inerzia. Più grande è il corpo, più difficile è dargli un certovelocità. La massa si misura in chilogrammi.
Anche la questione dell'energia non è semplice. Quindi, ci sono una varietà di sue manifestazioni: luce e calore, vapore ed elettrico, cinetico e potenziale, legami chimici. Tutti questi tipi di energia sono uniti da un'importante proprietà: la loro capacità di lavorare. In altre parole, l'energia è una quantità fisica in grado di muovere i corpi contro l'azione di altre forze esterne. La misura SI è il joule.
Qual è la velocità della luce è approssimativamente chiaro a tutti. Si intende la distanza percorsa da un'onda elettromagnetica nell'unità di tempo. Per il vuoto, questo valore è una costante; in qualsiasi altro mezzo reale, diminuisce. La velocità della luce è misurata in metri al secondo.
Il significato della formula di Einstein
Se guardi da vicino questa semplice formula, puoi vedere che la massa è correlata all'energia attraverso una costante (il quadrato della velocità della luce). Lo stesso Einstein ha spiegato che massa ed energia sono manifestazioni della stessa cosa. In questo caso, sono possibili le transizioni da m a E e viceversa.
Prima dell'avvento della teoria di Einstein, gli scienziati credevano che le leggi di conservazione della massa e dell'energia esistessero separatamente e fossero valide per tutti i processi che si verificano nei sistemi chiusi. Einstein ha mostrato che non è così, e questi fenomeni persistono non separatamente, ma insieme.
Un' altra caratteristica della formula di Einstein o della legge di equivalenza di massa ed energia è il coefficiente di proporzionalità tra queste quantità,cioè c2. È approssimativamente uguale a 1017 m2/s2. Questo enorme valore suggerisce che anche una piccola quantità di massa contiene enormi riserve di energia. Ad esempio, se segui questa formula, una sola uva appassita (uva passa) può soddisfare tutto il fabbisogno energetico di Mosca in un giorno. D' altra parte, questo enorme fattore spiega anche perché non osserviamo cambiamenti di massa in natura, perché sono troppo piccoli per i valori energetici che utilizziamo.
L'influenza della formula sul corso della storia del 20° secolo
Grazie alla conoscenza di questa formula, una persona è stata in grado di dominare l'energia atomica, le cui enormi riserve sono spiegate dai processi di scomparsa della massa. Un esempio lampante è la fissione del nucleo di uranio. Se sommiamo la massa degli isotopi leggeri formati dopo questa fissione, risulterà essere molto inferiore a quella del nucleo originale. La massa scomparsa si trasforma in energia.
La capacità umana di utilizzare l'energia atomica ha portato alla creazione di un reattore che serve a fornire elettricità alla popolazione civile delle città e alla progettazione dell'arma più letale di tutta la storia conosciuta: la bomba atomica.
L'apparizione della prima bomba atomica negli Stati Uniti pose fine alla seconda guerra mondiale contro il Giappone prima del previsto (nel 1945 gli Stati Uniti sganciarono queste bombe su due città giapponesi) e divenne anche il principale deterrente per il scoppio della terza guerra mondiale.
Einstein stesso, ovviamente, non potevaprevedere tali conseguenze della formula da lui scoperta. Nota che non ha preso parte al progetto Manhattan per creare armi atomiche.
Il fenomeno dell'effetto fotoelettrico e la sua spiegazione
Ora passiamo alla domanda per la quale Albert Einstein fu insignito del Premio Nobel all'inizio degli anni '20.
Il fenomeno dell'effetto fotoelettrico, scoperto nel 1887 da Hertz, consiste nella comparsa di elettroni liberi sopra la superficie di un determinato materiale, se irradiato con luce di determinate frequenze. Non è stato possibile spiegare questo fenomeno dal punto di vista della teoria ondulatoria della luce, che si è affermata all'inizio del XX secolo. Pertanto, non era chiaro il motivo per cui l'effetto fotoelettrico viene osservato senza un ritardo (inferiore a 1 ns), perché il potenziale di decelerazione non dipende dall'intensità della sorgente luminosa. Einstein ha dato una brillante spiegazione.
Lo scienziato ha suggerito una cosa semplice: quando la luce interagisce con la materia, non si comporta come un'onda, ma come un corpuscolo, un quanto, un grumo di energia. I concetti iniziali erano già noti: la teoria corpuscolare fu proposta da Newton a metà del XVII secolo e il concetto di quanti di onde elettromagnetiche fu introdotto dal fisico connazionale Max Planck. Einstein riuscì a riunire tutta la conoscenza della teoria e dell'esperimento. Credeva che un fotone (quanto di luce), interagendo con un solo elettrone, gli desse completamente la sua energia. Se questa energia è abbastanza grande da rompere il legame tra l'elettrone e il nucleo, allora la particella elementare carica si apre dall'atomo e va in uno stato libero.
Viste contrassegnateha permesso ad Einstein di scrivere la formula per l'effetto fotoelettrico. Lo considereremo nel prossimo paragrafo.
Effetto fotoelettrico e sua equazione
Questa equazione è un po' più lunga della famosa relazione energia-massa. Si presenta così:
hv=LA + MIk.
Questa equazione o la formula di Einstein per l'effetto fotoelettrico riflette l'essenza di ciò che sta accadendo nel processo: un fotone con energia hv (costante di Planck moltiplicata per la frequenza di oscillazione) viene speso per rompere il legame tra l'elettrone e il nucleo (A è la funzione di lavoro dell'elettrone) e nel comunicare una particella negativa di energia cinetica (Ek).
La formula sopra ha permesso di spiegare tutte le dipendenze matematiche osservate negli esperimenti sull'effetto fotoelettrico e ha portato alla formulazione delle leggi corrispondenti per il fenomeno in esame.
Dove viene utilizzato l'effetto fotoelettrico?
Attualmente, le idee di Einstein sopra delineate vengono applicate per convertire l'energia luminosa in elettricità grazie ai pannelli solari.
Usano un effetto fotoelettrico interno, ovvero gli elettroni "tirati fuori" dall'atomo non lasciano il materiale, ma vi rimangono. Il principio attivo è costituito da semiconduttori di silicio di tipo n e p.
