ربما يكون ألبرت أينشتاين معروفًا لكل سكان كوكبنا. وهو معروف بفضل الصيغة الشهيرة للعلاقة بين الكتلة والطاقة. ومع ذلك ، لم يحصل على جائزة نوبل لذلك. في هذه المقالة ، سننظر في صيغتين لأينشتاين قلبت الأفكار المادية حول العالم من حولنا في بداية القرن العشرين.
عام أينشتاين المثمر
في عام 1905 ، نشر أينشتاين عدة مقالات في وقت واحد ، والتي تناولت بشكل أساسي موضوعين: نظرية النسبية التي طورها وشرح التأثير الكهروضوئي. تم نشر المواد في المجلة الألمانية Annalen der Physik. تسببت عناوين هاتين المادتين في الحيرة في دائرة العلماء في ذلك الوقت:
- "هل يعتمد القصور الذاتي للجسم على الطاقة التي يحتويها؟" ؛
- "وجهة نظر إرشادية حول أصل الضوء وتحوله".
في البداية ، يستشهد العالم بالصيغة المعروفة حاليًا لنظرية النسبية لأينشتاين ، والتي تجمع بينمساواة موحدة بين الكتلة والطاقة. تقدم المقالة الثانية معادلة للتأثير الكهروضوئي. تستخدم كلتا الصيغتين حاليًا للعمل مع المواد المشعة ولتوليد الطاقة الكهربائية من الموجات الكهرومغناطيسية.
صيغة مختصرة للنسبية الخاصة
تأخذ نظرية النسبية التي طورها أينشتاين في الاعتبار الظواهر التي تكون فيها كتل الأشياء وسرعات حركتها ضخمة. في ذلك ، يفترض أينشتاين أنه من المستحيل التحرك أسرع من الضوء في أي إطار مرجعي ، وأنه عند سرعات الضوء القريبة ، تتغير خصائص الزمكان ، على سبيل المثال ، يبدأ الوقت في التباطؤ.
يصعب فهم نظرية النسبية من وجهة نظر منطقية ، لأنها تتعارض مع الأفكار المعتادة حول الحركة ، والتي وضع نيوتن قوانينها في القرن السابع عشر. ومع ذلك ، توصل أينشتاين إلى صيغة أنيقة وبسيطة من الحسابات الرياضية المعقدة:
E=مج2.
هذا التعبير يسمى صيغة أينشتاين للطاقة والكتلة. لنكتشف ماذا يعني ذلك
مفاهيم الكتلة والطاقة وسرعة الضوء
لفهم صيغة ألبرت أينشتاين بشكل أفضل ، يجب أن تفهم بالتفصيل معنى كل رمز موجود فيه.
لنبدأ بالكتلة. غالبًا ما تسمع أن هذه الكمية المادية مرتبطة بكمية المادة الموجودة في الجسم. هذا ليس صحيحا تماما من الأصح تحديد الكتلة كمقياس للقصور الذاتي. كلما كان الجسم أكبر ، كان من الصعب منحه بعض الشيءسرعة. الكتلة تقاس بالكيلوجرام
قضية الطاقة ليست بسيطة أيضًا. إذن ، هناك مجموعة متنوعة من مظاهره: الروابط الخفيفة والحرارية ، والبخارية والكهربائية ، والحركية والجهد ، والروابط الكيميائية. كل هذه الأنواع من الطاقة توحدها خاصية واحدة مهمة - قدرتها على القيام بالعمل. بمعنى آخر ، الطاقة هي كمية مادية قادرة على تحريك الأجسام ضد عمل القوى الخارجية الأخرى. مقياس SI هو الجول.
ما هي سرعة الضوء تقريبًا واضح للجميع. يُفهم على أنه المسافة التي تقطعها الموجة الكهرومغناطيسية لكل وحدة زمنية. بالنسبة للفراغ ، هذه القيمة ثابتة ؛ في أي وسط حقيقي آخر ، تتناقص. سرعة الضوء تقاس بالمتر في الثانية
معنى صيغة أينشتاين
إذا نظرت عن كثب إلى هذه الصيغة البسيطة ، يمكنك أن ترى أن الكتلة مرتبطة بالطاقة من خلال ثابت (مربع سرعة الضوء). أوضح أينشتاين نفسه أن الكتلة والطاقة هي مظاهر لشيء واحد. في هذه الحالة ، يمكن الانتقال من m إلى E والعكس.
قبل ظهور نظرية أينشتاين ، اعتقد العلماء أن قوانين الحفاظ على الكتلة والطاقة موجودة بشكل منفصل وهي صالحة لأي عمليات تحدث في أنظمة مغلقة. أظهر أينشتاين أن هذا ليس هو الحال ، وأن هذه الظواهر لا تستمر بشكل منفصل ، ولكن معًا.
ميزة أخرى لصيغة أينشتاين أو قانون تكافؤ الكتلة والطاقة هو معامل التناسب بين هذه الكميات ،أي c2. إنه يساوي تقريبًا 1017m2/ s2. تشير هذه القيمة الضخمة إلى أنه حتى كمية صغيرة من الكتلة تحتوي على احتياطيات ضخمة من الطاقة. على سبيل المثال ، إذا اتبعت هذه الصيغة ، فيمكن لعنب واحد مجفف (زبيب) أن يلبي جميع احتياجات الطاقة لموسكو في يوم واحد. من ناحية أخرى ، يفسر هذا العامل الضخم أيضًا سبب عدم ملاحظة تغيرات الكتلة في الطبيعة ، لأنها صغيرة جدًا بالنسبة لقيم الطاقة التي نستخدمها.
تأثير الصيغة على مسار تاريخ القرن العشرين
بفضل معرفة هذه الصيغة ، كان الشخص قادرًا على إتقان الطاقة الذرية ، والتي تفسر احتياطياتها الضخمة من خلال عمليات اختفاء الكتلة. وخير مثال على ذلك هو انشطار نواة اليورانيوم. إذا جمعنا كتلة نظائر الضوء التي تشكلت بعد هذا الانشطار ، فسنجد أنها أقل بكثير من كتلة النواة الأصلية. الكتلة المختفية تتحول إلى طاقة
قدرة الإنسان على استخدام الطاقة الذرية أدت إلى إنشاء مفاعل يعمل على توفير الكهرباء للسكان المدنيين في المدن ، وتصميم السلاح الأكثر فتكًا في التاريخ المعروف - القنبلة الذرية.
ظهور أول قنبلة ذرية في الولايات المتحدة أنهى الحرب العالمية الثانية ضد اليابان قبل الموعد المحدد (في عام 1945 ، أسقطت الولايات المتحدة هذه القنابل على مدينتين يابانيتين) ، وأصبح أيضًا الرادع الرئيسي أمام اندلاع الحرب العالمية الثالثة.
أينشتاين نفسه ، بالطبع ، لم يستطعلتوقع مثل هذه النتائج المترتبة على الصيغة التي اكتشفها. لاحظ أنه لم يشارك في مشروع مانهاتن لإنتاج أسلحة ذرية.
ظاهرة التأثير الكهروضوئي وتفسيرها
الآن دعنا ننتقل إلى السؤال الذي من أجله حصل ألبرت أينشتاين على جائزة نوبل في أوائل العشرينات.
ظاهرة التأثير الكهروضوئي ، التي اكتشفها هيرتز عام 1887 ، تتمثل في ظهور إلكترونات حرة فوق سطح مادة معينة ، إذا تم تشعيعها بضوء ترددات معينة. لم يكن من الممكن تفسير هذه الظاهرة من وجهة نظر نظرية موجات الضوء التي تأسست في بداية القرن العشرين. وبالتالي ، لم يكن من الواضح سبب ملاحظة التأثير الكهروضوئي دون تأخير زمني (أقل من 1 نانوثانية) ، ولماذا لا تعتمد إمكانية التباطؤ على شدة مصدر الضوء. قدم أينشتاين شرحًا رائعًا.
اقترح العالم شيئًا بسيطًا: عندما يتفاعل الضوء مع المادة ، فإنه لا يتصرف مثل الموجة ، ولكن مثل الجسم ، الكم ، جلطة الطاقة. كانت المفاهيم الأولية معروفة بالفعل - اقترح نيوتن النظرية الجسيمية في منتصف القرن السابع عشر ، وقدم مفهوم كوانتا الموجة الكهرومغناطيسية من قبل الفيزيائي المواطن ماكس بلانك. كان أينشتاين قادرًا على الجمع بين كل المعرفة النظرية والتجربة. كان يعتقد أن الفوتون (كم من الضوء) ، يتفاعل مع إلكترون واحد فقط ، يمنحه طاقته بالكامل. إذا كانت هذه الطاقة كبيرة بما يكفي لكسر الرابطة بين الإلكترون والنواة ، فإن الجسيم الأولي المشحون ينفتح من الذرة ويدخل في حالة حرة.
المشاهدات ذات الكلمات الدلاليةسمح لأينشتاين بتدوين صيغة التأثير الكهروضوئي. سننظر فيه في الفقرة التالية
التأثير الكهروضوئي ومعادلته
هذه المعادلة أطول قليلاً من علاقة الطاقة والكتلة الشهيرة. يبدو كالتالي:
hv=A + Ek.
هذه المعادلة أو صيغة أينشتاين للتأثير الكهروضوئي تعكس جوهر ما يحدث في العملية: فوتون مع الطاقة hv (ثابت بلانك مضروبًا في تردد التذبذب) ينفق على كسر الرابطة بين الإلكترون والنواة (A هي وظيفة عمل الإلكترون) وعلى توصيل جسيم سالب للطاقة الحركية (Ek).
أتاحت الصيغة أعلاه شرح جميع التبعيات الرياضية التي لوحظت في التجارب على التأثير الكهروضوئي وأدت إلى صياغة القوانين المقابلة للظاهرة قيد الدراسة.
أين يستخدم التأثير الكهروضوئي؟
حاليًا ، يتم تطبيق أفكار أينشتاين الموضحة أعلاه لتحويل الطاقة الضوئية إلى كهرباء بفضل الألواح الشمسية.
يستخدمون تأثيرًا كهروضوئيًا داخليًا ، أي أن الإلكترونات "المسحوبة" من الذرة لا تترك المادة ، ولكنها تبقى فيها. المادة الفعالة هي أشباه موصلات السيليكون من النوع n و p.
