אלברט איינשטיין כנראה מוכר לכל תושב בכוכב הלכת שלנו. הוא ידוע בזכות הנוסחה המפורסמת לחיבור בין מסה לאנרגיה. עם זאת, הוא לא קיבל על כך פרס נובל. במאמר זה נשקול שתי נוסחאות איינשטיין שהפכו את הרעיונות הפיזיקליים על העולם סביבנו בתחילת המאה ה-20.
השנה הפורה של איינשטיין
בשנת 1905 פרסם איינשטיין כמה מאמרים בבת אחת, שעסקו בעיקר בשני נושאים: תורת היחסות שפיתח והסבר האפקט הפוטואלקטרי. החומרים פורסמו בכתב העת הגרמני Annalen der Physik. עצם הכותרות של שני המאמרים הללו עוררו תמיהה במעגל המדענים באותה תקופה:
- "האם האינרציה של גוף תלויה באנרגיה שהוא מכיל?";
- "נקודת מבט היוריסטית על המקור והשינוי של האור".
בראשון, המדען מצטט את הנוסחה הידועה כיום של תורת היחסות של איינשטיין, המשלבתשוויון אחיד של מסה ואנרגיה. המאמר השני מספק משוואה לאפקט הפוטואלקטרי. שתי הנוסחאות משמשות כיום הן לעבודה עם חומר רדיואקטיבי והן להפקת אנרגיה חשמלית מגלים אלקטרומגנטיים.
נוסחה קצרה של תורת היחסות הפרטית
תורת היחסות שפותחה על ידי איינשטיין מחשיבה את התופעות כאשר המוני העצמים ומהירויות התנועה שלהם עצומות. בו, איינשטיין מניח שאי אפשר לנוע מהר יותר מהאור בכל מסגרת התייחסות, ושבמהירויות קרובות לאור, תכונות השינוי במרחב-זמן, למשל, הזמן מתחיל להאט.
תורת היחסות קשה להבנה מנקודת מבט לוגית, משום שהיא סותרת את הרעיונות הרגילים לגבי תנועה, שחוקיה נקבעו על ידי ניוטון במאה ה-17. עם זאת, איינשטיין המציא נוסחה אלגנטית ופשוטה מחישובים מתמטיים מורכבים:
E=mc2.
ביטוי זה נקרא הנוסחה של איינשטיין לאנרגיה ומסה. בוא נבין מה זה אומר.
המושגים של מסה, אנרגיה ומהירות האור
כדי להבין טוב יותר את הנוסחה של אלברט איינשטיין, עליך להבין בפירוט את המשמעות של כל סמל שקיים בה.
בוא נתחיל עם המיסה. לעתים קרובות ניתן לשמוע שכמות פיזית זו קשורה לכמות החומר הכלול בגוף. זה לא לגמרי נכון. נכון יותר להגדיר מסה כמדד לאינרציה. ככל שהגוף גדול יותר, כך קשה יותר לתת לו משהו מסויםמְהִירוּת. המסה נמדדת בקילוגרמים.
גם נושא האנרגיה אינו פשוט. אז, יש מגוון של ביטויים שלה: אור ותרמי, קיטור וחשמלי, קינטיים ופוטנציאלים, קשרים כימיים. כל סוגי האנרגיה הללו מאוחדים על ידי תכונה אחת חשובה - היכולת שלהם לעשות עבודה. במילים אחרות, אנרגיה היא כמות פיזיקלית המסוגלת להניע גופים כנגד פעולת כוחות חיצוניים אחרים. מדד ה-SI הוא הג'אול.
מהי מהירות האור ברורה בערך לכולם. זה מובן כמרחק שעובר גל אלקטרומגנטי ליחידת זמן. עבור ואקום, ערך זה הוא קבוע; בכל מדיום אמיתי אחר, הוא יורד. מהירות האור נמדדת במטרים לשנייה.
משמעות הנוסחה של איינשטיין
אם תסתכלו מקרוב על הנוסחה הפשוטה הזו, תוכלו לראות שמסה קשורה לאנרגיה דרך קבוע (ריבוע מהירות האור). איינשטיין עצמו הסביר שמסה ואנרגיה הם ביטויים של אותו דבר. במקרה זה, מעברים m ל-E ובחזרה אפשריים.
לפני הופעת התיאוריה של איינשטיין, מדענים האמינו שחוקי שימור המסה והאנרגיה קיימים בנפרד והם תקפים לכל תהליכים המתרחשים במערכות סגורות. איינשטיין הראה שזה לא המקרה, והתופעות הללו נמשכות לא בנפרד, אלא ביחד.
תכונה נוספת של הנוסחה של איינשטיין או חוק השקילות של מסה ואנרגיה היא מקדם המידתיות בין הכמויות הללו,כלומר c2. זה שווה בערך ל-1017 m2/s2. הערך העצום הזה מצביע על כך שאפילו כמות קטנה של מסה מכילה עתודות עצומות של אנרגיה. לדוגמה, אם אתה פועל לפי הנוסחה הזו, רק ענב מיובש אחד (צימוק) יכול לספק את כל צורכי האנרגיה של מוסקבה ביום אחד. מצד שני, הגורם העצום הזה גם מסביר מדוע איננו צופים בשינויים המוניים בטבע, מכיוון שהם קטנים מדי עבור ערכי האנרגיה שאנו משתמשים בו.
השפעת הנוסחה על מהלך ההיסטוריה של המאה ה-20
הודות לידע של נוסחה זו, אדם הצליח לשלוט באנרגיה אטומית, שרזרבותיה העצומות מוסברות על ידי תהליכי היעלמות המסה. דוגמה בולטת היא ביקוע גרעין האורניום. אם נחבר את המסה של האיזוטופים הקלים שנוצרו לאחר הביקוע הזה, אז יתברר שהיא תהיה הרבה פחות מזו של הגרעין המקורי. מסה שנעלמה הופכת לאנרגיה.
היכולת האנושית להשתמש באנרגיה אטומית הובילה ליצירת כור המשמש לספק חשמל לאוכלוסייה האזרחית בערים, ולתכנון של הנשק הקטלני ביותר בכל ההיסטוריה הידועה - פצצת האטום.
הופעתה של פצצת האטום הראשונה בארצות הברית סיימה את מלחמת העולם השנייה נגד יפן לפני המועד (בשנת 1945, ארה ב הטילה פצצות אלו על שתי ערים יפניות), והפכה גם לגורם ההרתעה העיקרי של פרוץ מלחמת העולם השלישית.
איינשטיין עצמו, כמובן, לא יכול היהלחזות השלכות כאלה של הנוסחה שגילה. שימו לב שהוא לא השתתף בפרויקט מנהטן ליצירת נשק אטומי.
תופעת האפקט הפוטואלקטרי וההסבר שלו
עכשיו נעבור לשאלה שבגינה הוענק פרס נובל לאלברט איינשטיין בתחילת שנות ה-20.
תופעת האפקט הפוטואלקטרי, שהתגלתה ב-1887 על ידי הרץ, מורכבת מהופעת אלקטרונים חופשיים מעל פני השטח של חומר מסוים, אם הוא מוקרן באור בתדרים מסוימים. לא ניתן היה להסביר תופעה זו מנקודת מבטה של תורת הגלים של האור, שנקבעה בתחילת המאה ה-20. לפיכך, לא היה ברור מדוע האפקט הפוטואלקטרי נצפה ללא עיכוב זמן (פחות מ-1 ns), מדוע פוטנציאל ההאטה אינו תלוי בעוצמת מקור האור. איינשטיין נתן הסבר מבריק.
המדען הציע דבר פשוט: כאשר האור מקיים אינטראקציה עם חומר, הוא לא מתנהג כמו גל, אלא כמו גופה, קוונטי, קריש אנרגיה. המושגים הראשוניים כבר היו ידועים - התיאוריה הגופנית הוצעה על ידי ניוטון באמצע המאה ה-17, והמושג של קוונטות גלים אלקטרומגנטיות הוצג על ידי הפיזיקאי בן ארצו מקס פלאנק. איינשטיין הצליח לרכז את כל הידע של התיאוריה והניסוי. הוא האמין שפוטון (קוונטי של אור), המקיים אינטראקציה עם אלקטרון אחד בלבד, נותן לו לחלוטין את האנרגיה שלו. אם אנרגיה זו גדולה מספיק כדי לשבור את הקשר בין האלקטרון לגרעין, אז החלקיק היסודי הטעון נפתח מהאטום ונכנס למצב חופשי.
צפיות מתויגותאפשר לאיינשטיין לרשום את הנוסחה לאפקט הפוטואלקטרי. נשקול זאת בפסקה הבאה.
אפקט פוטואלקטרי והמשוואה שלו
המשוואה הזו קצת יותר ארוכה מהיחס המפורסם בין אנרגיה למסה. זה נראה כך:
hv=A + Ek.
משוואה זו או הנוסחה של איינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי משקפת את המהות של מה שקורה בתהליך: פוטון עם אנרגיה hv (הקבוע של פלאנק כפול בתדר התנודה) מושקע על שבירת הקשר בין האלקטרון והגרעין (A הוא פונקציית העבודה של האלקטרון) ועל העברת חלקיק שלילי של אנרגיה קינטית (Ek).
הנוסחה שלעיל אפשרה להסביר את כל התלות המתמטית שנצפו בניסויים על האפקט הפוטואלקטרי והובילה לניסוח החוקים המתאימים לתופעה הנבדקת.
היכן נעשה שימוש באפקט הפוטואלקטרי?
כיום, הרעיונות של איינשטיין המתוארים לעיל מיושמים כדי להמיר אנרגיית אור לחשמל הודות לפאנלים סולאריים.
הם משתמשים באפקט פוטו-אלקטרי פנימי, כלומר האלקטרונים ש"נשלפים" מהאטום אינם עוזבים את החומר, אלא נשארים בו. החומר הפעיל הוא מוליכים למחצה סיליקון מסוג n ו-p.
