Albert Einstein és probablement conegut per tots els habitants del nostre planeta. És conegut gràcies a la famosa fórmula per a la connexió entre massa i energia. No obstant això, no va rebre el Premi Nobel per això. En aquest article, considerarem dues fórmules d'Einstein que van canviar les idees físiques sobre el món que ens envolta a principis del segle XX.
L'any fructífer d'Einstein
L'any 1905, Einstein va publicar diversos articles alhora, que tractaven principalment de dos temes: la teoria de la relativitat que va desenvolupar i l'explicació de l'efecte fotoelèctric. Els materials es van publicar a la revista alemanya Annalen der Physik. Els mateixos títols d'aquests dos articles van causar desconcert en el cercle de científics d'aquella època:
- "La inèrcia d'un cos depèn de l'energia que conté?";
- "Un punt de vista heurístic sobre l'origen i la transformació de la llum".
A la primera, el científic cita la fórmula coneguda actualment de la teoria de la relativitat d'Einstein, que combinaigu altat uniforme de massa i energia. El segon article proporciona una equació per a l'efecte fotoelèctric. Ambdues fórmules s'utilitzen actualment tant per treballar amb matèria radioactiva com per generar energia elèctrica a partir d'ones electromagnètiques.
Fórmula curta de la relativitat especial
La teoria de la relativitat desenvolupada per Einstein considera els fenòmens quan les masses dels objectes i les seves velocitats de moviment són enormes. En ell, Einstein postula que és impossible moure's més ràpid que la llum en qualsevol marc de referència, i que a velocitats properes a la llum, les propietats de l'espai-temps canvien, per exemple, el temps comença a alentir-se.
La teoria de la relativitat és difícil d'entendre des d'un punt de vista lògic, perquè contradiu les idees habituals sobre el moviment, les lleis de les quals van ser establertes per Newton al segle XVII. Tanmateix, Einstein va idear una fórmula senzilla i elegant a partir de càlculs matemàtics complexos:
E=mc2.
Aquesta expressió s'anomena fórmula d'Einstein per a l'energia i la massa. Anem a esbrinar què significa.
Els conceptes de massa, energia i velocitat de la llum
Per entendre millor la fórmula d'Albert Einstein, hauríeu d'entendre detalladament el significat de cada símbol que hi ha present.
Comencem per la missa. Sovint es pot escoltar que aquesta quantitat física està relacionada amb la quantitat de matèria que conté el cos. Això no és del tot cert. És més correcte definir la massa com a mesura de la inèrcia. Com més gran és el cos, més difícil és donar-li un certvelocitat. La massa es mesura en quilograms.
La qüestió de l'energia tampoc és senzilla. Per tant, hi ha una varietat de les seves manifestacions: llum i tèrmica, vapor i elèctrica, cinètica i potencial, enllaços químics. Tots aquests tipus d'energia estan units per una propietat important: la seva capacitat de treballar. En altres paraules, l'energia és una quantitat física que és capaç de moure cossos contra l'acció d' altres forces externes. La mesura SI és el joule.
Quina és la velocitat de la llum és aproximadament clara per a tothom. S'entén com la distància que recorre una ona electromagnètica per unitat de temps. Per al buit, aquest valor és una constant; en qualsevol altre medi real, disminueix. La velocitat de la llum es mesura en metres per segon.
El significat de la fórmula d'Einstein
Si observeu de prop aquesta fórmula senzilla, podeu veure que la massa està relacionada amb l'energia mitjançant una constant (el quadrat de la velocitat de la llum). El mateix Einstein va explicar que massa i energia són manifestacions de la mateixa cosa. En aquest cas, les transicions de m a E i enrere són possibles.
Abans de l'arribada de la teoria d'Einstein, els científics creien que les lleis de conservació de la massa i de l'energia existeixen per separat i són vàlides per a qualsevol procés que ocorre en sistemes tancats. Einstein va demostrar que no és així, i aquests fenòmens persisteixen no per separat, sinó junts.
Una altra característica de la fórmula d'Einstein o la llei d'equivalència de massa i energia és el coeficient de proporcionalitat entre aquestes magnituds,és a dir, c2. És aproximadament igual a 1017 m2/s2. Aquest gran valor suggereix que fins i tot una petita quantitat de massa conté grans reserves d'energia. Per exemple, si seguiu aquesta fórmula, només un raïm sec (pansa) pot satisfer totes les necessitats energètiques de Moscou en un dia. D' altra banda, aquest gran factor també explica per què no observem canvis de massa a la natura, perquè són massa petits per als valors energètics que utilitzem.
La influència de la fórmula en el curs de la història del segle XX
Gràcies al coneixement d'aquesta fórmula, una persona va poder dominar l'energia atòmica, les enormes reserves de la qual s'expliquen pels processos de desaparició de la massa. Un exemple sorprenent és la fissió del nucli d'urani. Si sumem la massa dels isòtops lleugers formats després d'aquesta fissió, serà molt inferior a la del nucli original. La massa desapareguda es converteix en energia.
La capacitat humana d'utilitzar l'energia atòmica va conduir a la creació d'un reactor que serveix per subministrar electricitat a la població civil de les ciutats i al disseny de l'arma més letal de tota la història coneguda: la bomba atòmica..
L'aparició de la primera bomba atòmica als Estats Units va posar fi a la Segona Guerra Mundial contra el Japó abans del previst (el 1945, els Estats Units van llançar aquestes bombes sobre dues ciutats japoneses) i també es va convertir en el principal element dissuasiu de la esclat de la Tercera Guerra Mundial.
El mateix Einstein, per descomptat, no podiaper preveure tals conseqüències de la fórmula que va descobrir. Tingueu en compte que no va participar en el projecte Manhattan per crear armes atòmiques.
El fenomen de l'efecte fotoelèctric i la seva explicació
Ara passem a la pregunta per la qual Albert Einstein va rebre el Premi Nobel a principis dels anys vint.
El fenomen de l'efecte fotoelèctric, descobert l'any 1887 per Hertz, consisteix en l'aparició d'electrons lliures sobre la superfície d'un determinat material, si s'irradia amb llum de determinades freqüències. No va ser possible explicar aquest fenomen des del punt de vista de la teoria ondulatòria de la llum, que es va establir a principis del segle XX. Així, no estava clar per què s'observa l'efecte fotoelèctric sense retard de temps (menys d'1 ns), per què el potencial de desacceleració no depèn de la intensitat de la font de llum. Einstein va donar una explicació brillant.
El científic va suggerir una cosa senzilla: quan la llum interacciona amb la matèria, no es comporta com una ona, sinó com un corpuscle, un quàntic, un coàgul d'energia. Els conceptes inicials ja eren coneguts: la teoria corpuscular va ser proposada per Newton a mitjans del segle XVII i el concepte de quanta d'ones electromagnètiques va ser introduït pel físic compatriota Max Planck. Einstein va poder reunir tots els coneixements de la teoria i l'experimentació. Creia que un fotó (quantum de llum), que interactua amb només un electró, li dóna completament la seva energia. Si aquesta energia és prou gran per trencar l'enllaç entre l'electró i el nucli, aleshores la partícula elemental carregada s'obre des de l'àtom i passa a un estat lliure.
Vistes etiquetadesva permetre a Einstein escriure la fórmula de l'efecte fotoelèctric. Ho tindrem en compte al paràgraf següent.
Efecte fotoelèctric i la seva equació
Aquesta equació és una mica més llarga que la famosa relació energia-massa. Sembla així:
hv=A + Ek.
Aquesta equació o fórmula d'Einstein per a l'efecte fotoelèctric reflecteix l'essència del que està passant en el procés: un fotó amb energia hv (la constant de Planck multiplicada per la freqüència d'oscil·lació) es gasta en trencar l'enllaç entre l'electró. i el nucli (A és la funció de treball de l'electró) i en comunicar una partícula negativa d'energia cinètica (Ek).
La fórmula anterior va permetre explicar totes les dependències matemàtiques observades en experiments sobre l'efecte fotoelèctric i va donar lloc a la formulació de les lleis corresponents al fenomen considerat.
On s'utilitza l'efecte fotoelèctric?
Actualment, les idees d'Einstein descrites anteriorment s'estan aplicant per convertir l'energia lluminosa en electricitat gràcies als panells solars.
Utilitzen un efecte fotoelèctric intern, és a dir, els electrons "trets" de l'àtom no surten del material, sinó que hi romanen. La substància activa són semiconductors de silici de tipus n i p.
